基于變頻調(diào)速的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

付李剛

（霍州煤電集團(tuán)有限公司，山西 霍州 031400）

1 概況

煤礦開采中提升機(jī)是重要的輔助運(yùn)輸設(shè)備，主要負(fù)責(zé)物料、人員以及煤炭運(yùn)輸。提升機(jī)運(yùn)行過程的安全可靠性不僅影響煤礦生產(chǎn)效率，也涉及人員安全。提升機(jī)從啟動(dòng)到結(jié)束需要經(jīng)過加速、恒速、減速等不同階段，傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)是基于繞線式轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)的，這種調(diào)速方式故障率較高，且電能損耗大，工作效率較低，已然無法滿足當(dāng)代煤礦生產(chǎn)的實(shí)際需要。近年來變頻調(diào)速控制技術(shù)獲得了快速發(fā)展，已經(jīng)較為成熟，在很多工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。以霍州煤電店坪礦礦井提升機(jī)為研究對象，將變頻調(diào)速控制技術(shù)應(yīng)用到礦井提升機(jī)的速度控制中，提高提升機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低能耗。

2 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合店坪礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究于變頻調(diào)速的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)整體方案示意Fig.1 The overall scheme of mine hoist control system

由圖1 可知，整個(gè)控制系統(tǒng)以PLC 控制器和變頻器為核心，提升機(jī)在運(yùn)行過程中通過傳感器對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集，利用旋轉(zhuǎn)編碼器對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，所有檢測結(jié)果直接輸入到PLC 控制器中，控制器對所有檢測結(jié)果進(jìn)行分析，在確保提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行高效穩(wěn)定的前提條件下，對設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。一旦發(fā)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備存在安全隱患，即下達(dá)指令對液壓站進(jìn)行控制，進(jìn)行滾筒制動(dòng)，控制提升機(jī)能停止運(yùn)行。

2.2 提升機(jī)運(yùn)行速度控制

店坪礦提升機(jī)工作期間的速度變化如圖2 所示。可以看出，按照速度變化特點(diǎn)，可以將整個(gè)提升機(jī)運(yùn)行過程劃分成為5 個(gè)階段，分別為加速階段t1、等速運(yùn)行階段t2、減速階段t3、爬行階段t4和制動(dòng)階段t5。加速階段提升機(jī)以一定的加速度a1運(yùn)行，直到達(dá)到最大運(yùn)行速度，運(yùn)輸不同物質(zhì)時(shí)加速度a1的數(shù)值存在差異，輸送人員時(shí)a1≤0.75 m/s2，輸送其他物料時(shí)a1≤1.2 m/s2。在等速運(yùn)行階段，提升機(jī)始終以最大速度持續(xù)運(yùn)行，快到終點(diǎn)時(shí)開始進(jìn)入減速階段，以恒定的加速度a3做減速運(yùn)動(dòng)。罐籠即將到達(dá)設(shè)定的位置時(shí)，以恒定的較低的速度爬行，直到到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入最后的制動(dòng)階段，提升機(jī)完全停止運(yùn)行。

圖2 礦井提升機(jī)工作期間的速度變化過程Fig.2 Speed change process of mine hoist during operation

3 控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制器的選型設(shè)計(jì)

充分考慮工業(yè)中不同型號控制器的實(shí)踐應(yīng)用，并結(jié)合店坪礦情況，選用西門子S7-300 型PLC 控制器。該型號控制器的CPU 具有良好的性能，完全能夠滿足店坪礦提升機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算需要；具有豐富的I/O 接口，可以滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸以及未來拓展的需要。PLC 控制器的主要結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 PLC 控制器的主要結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Main structure block diagram of PLC controller

由圖3 可以看出，所有傳感器檢測得到的信號都需要通過輸入接口模塊傳入到PLC 控制器的數(shù)據(jù)存儲器中，之后傳輸?shù)街醒胩幚韱卧狢PU 中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。CPU 下達(dá)的指令需要通過數(shù)據(jù)存儲器并通過輸出接口模塊傳輸?shù)礁鱾€(gè)執(zhí)行器中。

3.2 變頻器的選型設(shè)計(jì)

變頻器是實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)施，基本工作原理是將輸入的正常電壓根據(jù)實(shí)際使用需要，輸出不同的電壓，供給電機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)整與控制。礦井提升機(jī)在工作過程中具備四象限運(yùn)行的工作特征，與其他機(jī)械設(shè)備相比，對變頻器的性能要求和安全要求更高。科姆龍KV2000 型變頻器采用矢量控制技術(shù)，將轉(zhuǎn)矩和定子磁通作為控制變量，對于負(fù)載出現(xiàn)的瞬時(shí)掉電和負(fù)載變化情況能夠快速響應(yīng)，為整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和控制精度提供了很好的保障。可以通過磁通制動(dòng)對提升機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)，保障設(shè)備的運(yùn)行安全性。KV2000 型變頻器接線如圖4所示。

圖4 變頻器的接線示意Fig.4 Connection diagram of inverter

3.3 主要傳感器的選型

為了確保提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程的穩(wěn)定可靠，保障煤礦生產(chǎn)安全，需要利用各種傳感器對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，主要涉及5 種類型的傳感器。

閘瓦磨損檢測行程開關(guān)的作用是對制動(dòng)器中的閘瓦磨損程度進(jìn)行檢測，選用型號為LXK3-20S/L，一旦檢測發(fā)現(xiàn)閘瓦磨損達(dá)到一定程度，系統(tǒng)會向外發(fā)出警報(bào)；松繩檢測行程開關(guān)的作用是對提升機(jī)的繩索松緊程度進(jìn)行檢測，選用型號為KBXC-5/127-1，一旦發(fā)現(xiàn)存在松繩問題，提升機(jī)會停止工作；選用DI-SORIC 磁敏開關(guān)對提升機(jī)的位置進(jìn)行檢測，可以安裝在礦井進(jìn)口部位；制動(dòng)液壓油的壓力是確保提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，選用PTH504 型壓力變送器對制動(dòng)油的壓力進(jìn)行檢測；選用E6B2-CWZ5B2000P/R旋轉(zhuǎn)編碼器對電機(jī)的速度轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。

4 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)工作流程

基于變頻調(diào)速技術(shù)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的主要工作流程如圖5 所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)開始運(yùn)行后對PLC 控制器進(jìn)行檢測，確保能夠正常運(yùn)行。檢測完成后向外發(fā)出開車準(zhǔn)備信號，并檢測提升機(jī)是否存在跳繩現(xiàn)象，如果一切正常則正式發(fā)出開車信號，提升機(jī)開始按照系統(tǒng)設(shè)定的速度變化5 個(gè)階段進(jìn)行運(yùn)行。整個(gè)運(yùn)行期間，各類傳感器會對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，系統(tǒng)會立即下達(dá)指令進(jìn)行預(yù)設(shè)處理。

圖5 基于變頻調(diào)速的提升機(jī)控制系統(tǒng)主要工作流程Fig.5 Main workflow of hoist control system based on frequency conversion

5 結(jié)語

將設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在店坪礦進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，目前系統(tǒng)在煤礦中已經(jīng)成功運(yùn)行1 a 以上，控制系統(tǒng)可以按照提前設(shè)定的速度控制曲線對提升機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，不同階段之間的速度過渡平滑，確保了運(yùn)行過程的穩(wěn)定性，滿足煤礦生產(chǎn)實(shí)際需要；使用了變頻調(diào)速控制技術(shù)，設(shè)備整體運(yùn)行的能耗降低了10%左右，節(jié)省了煤礦運(yùn)營成本；設(shè)備故障率與之前相比有了顯著降低，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備投資、維護(hù)和保養(yǎng)成本。綜上，基于變頻調(diào)速的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，提升了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，降低了能耗，經(jīng)濟(jì)效益和安全效益顯著。