提升機繼電器控制系統的改造及效果評價

李潤平

（華陽新材料科技集團五人小組管理部，山西 陽泉 045000）

引言

礦井提升機為僅次于帶式輸送機的運輸設備，其主要承擔著煤炭、物料甚至作業人員的運送任務。在日常生產中，為保證煤礦煤炭的產出率，對應工作面一般采用三班倒的工作模式，也就是說不論是地面還是工作面的設備均在時刻運行中。提升機根據上行和下放需求使相應的設備一直處于過負荷運轉，對應的電機處于頻繁的正反轉運行以及制動系統不斷地切換制動和運行狀態。如何保證提升機在高負荷運行狀態下的可靠性和安全性是提升機運輸效率高的關鍵[1]。因此，基于PLC控制器完成對傳統繼電器控制提升機控制系統的改造。

1 提升機電氣控制系統基本要求

提升機系統作為礦井生產的一大型機電系統，主要包括有機械部分和電氣部分，具體可劃分為電機、減速器、制動系統、測速系統以及摩擦輪等組成。本文所研究的提升機為單繩纏繞式提升機，其具體行程為700 m，主要應用于斜井。電氣控制系統為提升機系統的關鍵機電設備，其是保證設備運輸效率和可靠性的關鍵。提升機電氣控制系統必須能夠滿足設備的靜態特性和動態特性，為適應礦井高負荷的運輸需求，提升機電氣控制系統需滿足如下要求:

1）針對運輸對象的不同，提升機在加速和減速階段的加/減速度均應該滿足《煤炭安全規程》的相關要求；

2）在實際運輸過程的突發情況下，免不了設備在重載情況下啟動[2]。因此，提升機電控系統應具備良好的重載啟動能力，并具備一定的過載能力；

3）提升機電氣控制系統能夠根據實際運輸的要求及時對設備的速度進行實時、平穩的控制；

4）提升機電氣控制系統的機械特性能夠滿足在工況變化加大時不會對整機的運輸速度造成較大的干擾；

5）為進一步保證提升機的可靠性，其電氣控制系統應具備一定的連鎖和安全保護功能。

2 提升機電控系統現狀分析

1）目前，該礦提升機電氣系統采用繼電器控制為主，該控制系統響應速度較慢、控制不穩定以及保護功能欠缺；而且，繼電器容易老化的缺陷無法適應當前礦井高負荷的平穩運輸需求；

2）當前電控系統不具備定位提升機故障的功能，導致設備出現故障時維修效率低，從而影響整個工作面的生產效果；

3）當前電控系統無法將提升機運行工況實時反應于調度部門，對高效管理不利；

4）當前電控系統不具備根據工況對運輸速度進行實時控制，存在耗能嚴重或者提升力矩不足的問題，導致提升效率低[3]。

針對提升機當前存在的問題，結合現代工業的控制經驗，本文將基于PLC控制器設計可控硅調速系統實現對提升機電控系統的改造，初步擬定改造后系統的框圖如圖1所示：

如圖1所示，改造后提升機電控系統可基于深度指示器對罐籠的實時位置進行監測，可基于主控系統實現對運輸速度的實時、平穩控制；可基于監控系統對設備運行的整體狀態進行監測。

圖1 基于PLC改造后提升機電控系統結構框圖

3 提升機電控系統的改造

3.1 基于PLC控制器對電控系統改造

結合圖1中初步設計的提升機電氣控制系統基于PLC控制器改造后的結構框圖，結合該礦井現場實際情況和改造后電氣控制系統的控制需求，為PLC電氣控制系統配置如圖2所示的硬件設備：

圖2 基于PLC改造后電控系統硬件框圖

如圖2所示，基于PLC對提升機電氣控制系統改造后所配置的硬件設備包括有全數字主控臺、可控硅動力制動電源柜、高壓切向電制動切換柜、制動泵、潤滑泵站、高壓開關柜以及智能型可控硅加速柜等[4]。

根據目前該礦井其他大型機電設備所選型PLC控制器的型號，針對提升機電控系統的改造也采用三菱FN2N系列的PLC控制器；根據提升機電氣控制系統的需求統計，對應PLC輸入點包括有54個，對應PLC輸出點包括有37個。而當前市面上常用三菱PLC控制器的輸入點和輸出點分別為32個。因此，為改造后電氣控制系統配置兩套PLC控制器。

結合提升機在實際運輸過程中的控制需求，設計如圖3所示的控制流程圖。

3.2 提升機可控硅調速系統的設計

針對提升機在實際提升或下放過程中需根據實時工況對其提升或下放速度進行實時控制。目前，就提升機的調速系統而言可通過直流調速系統和交流調速系統實現。目前，工業中尤其是煤礦生產中應用較為普遍的交流調速系統，而且工業中以變頻器為核心的交流變頻調速為主。但是，鑒于煤礦生產環境相對惡劣，若對變頻器保護不當容易影響設備的壽命，從而增加了改造成本[5]。因此，鑒于可控硅整流器具備體積小、效率高以及重量輕的特點，本文將在基于PLC控制器改造的基礎上基于可控硅整流器實現對提升機的調速控制。

結合提升機電機的結構，設計如圖4所示的主控回路圖：

圖3 改造后提升機電氣控制流程圖

圖4 可控硅主控回路電路圖

如圖4所示，在實際控制過程中PLC控制器將控制信號分出8組，根據減速或者減速的控制需求對回路中的電阻和可控硅部分進行截止操作。具體控制如下：當提升機需加速時，將回路中的電阻全部切除；當提升機需減速或者停機時，根據控制信號將可控硅整流器部分或者全部截止。

此外，基于可控硅整流器實現對提升機實時、平穩調速控制需求外，其還具備RS485通訊功能，即實現與上位機的通訊，從而可有效減少當前基于變頻調速系統中必要的通訊電纜芯數，從而進一步提升了系統的可靠性。

4 提升機可控硅調速系統改造效果

傳統提升機電氣控制系統采用空氣接觸器對回路進行控制，該設備的功率為8.8 kW；而基于PLC控制器實現提升機可控硅調速后所采用的可控硅調速硅的功率為0.35 kW。按照每天工作18 h、每年工作330 d計算，每年可節約電量約為8.8 kW×18 h×330-0.35 kW×18 h×330=45 441 kWh。

為驗證提升機在實際運輸過程中是否能夠實現平穩調速功能，對提升機從啟動到停機一個循環的控制效果進行驗證，所參照的一個循環速度控制曲線如圖5所示。

采用本文基于PLC控制器實現提升機的可控硅調速系統后，在一個循環內得出提升機的速度控制曲線如圖6所示。

如圖6所示，對提升機進行改造后設備在整個循環階段可實現平穩調速功能。

圖5 提升機理想速度控制曲線

圖6 提升機實際速度控制曲線