礦用提升機控制系統優化研究

崔世杰， 曹永愛， 郭 凱

（山西科達自控股份有限公司， 山西 太原 030006）

引言

提升機是集電器、液壓、機械于一體的礦用生產設備，主要作用為在地面與礦井之間進行人員與貨物的運輸，是礦山生產開采中不可獲取的設備。作為礦井與地面運輸聯系的唯一紐帶，提升機生產作用的重要性與結構的復雜性決定了提升機的安全可靠運行，對于煤炭企業生產至關重要。傳統的礦用提升機控制系統采用繼電器、接觸器進行控制，電動機轉子回路連接電阻進行調速啟動的控制方法，該方法運行效率低、安全可靠性差、操作復雜、易發生故障，已無法適應煤炭開采企業的實際生產需求[1-5]。本文提出運用可編程控制與變頻器結合的提升機控制方法，增強提升機運行的安全性與可靠性，提升企業生產效率。

1 礦用提升機工作過程分析

礦用提升機的使用過程主要分為起步、加速、平速、減速、爬坡、停止六個階段，其運行速度與時間的變化規律如圖1 所示。對提升機的控制其實就是對設備運行速度與轉矩的控制。本文擬運用直接轉矩的方法對提升機運行進行控制。直接轉矩控制可直接通過定子坐標系計算出轉矩與磁通，然后對逆變器的電壓、頻率等指標進行調整，即可對轉矩與轉速進行控制。運用直接轉矩的方法響應迅速，不受電機各項參數影響，可進行參數補償與自適應運行，針對電機起步時輸出扭矩不夠的問題可起到良好的優化作用。

圖1 礦用提升機運行變化規律示意圖

提升機運行中轉矩之間的關系為：

式中：Td為總轉矩，N·m；Te為電動機轉矩，N·m；Ti為固有轉矩，N·m；Tn為傳動輪力矩，N·m；J 為轉動慣量，N·m2；g 為重力加速度，m/s2；?為提升系統加速度，m/s2。

2 礦用提升機控制系統優化研究

2.1 可編程控制器（PLC）選型

本設計采用可編程控制器進行系統控制。可編程控制器可通過安裝在卷筒、電機等部位上編碼器采集的信息進行數據計算，得出轉速后實現速度位置反饋；可通過液壓站與潤滑站的溫度與油壓采集，數據通過A/D 轉換后可實現實時監控與故障監測。可編程控制器可依據傳感器與開關信號的信息反饋輸出模擬信號控制變頻器轉矩與轉速，同時將故障與運行狀態向上位機反饋，方便管理人員了解提升機的實時狀態。可編程控制器控制程序分半自動與手動兩種控制模式，操作人員可依據實際生產情況自行選擇控制方式。可編程控制器內部結構示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 可編程控制器內部結構示意圖

可編程控制器需符合系統控制要求，在模擬量、輸入開關量與輸出開關量等各點數量應有余量，以便日后系統優化。模擬量的輸入需配合具備精準A/D 模塊、快速運算和準確編碼采集的高速計算器。經研究，西門子公司的S7-300PLC 符合設計要求。S7-300PLC 具有運算力強、速度快、操作方便等優點，具有故障自我診斷、程序保護等功能，適用于控制系統設計。

2.2 變頻器選型

由于提升機的運行特點為速度小、負載大，因此提升機在運行時會有瞬間電流過大的現象。在選擇變頻器時容量應比平穩運行時高出一級。經分析，電動機的參數為：轉速800 r/min，轉矩800 N·m，額定功率90 kW，額定電流267 A。ABB 公司的ACC600專用變頻器符合上述要求，其原理圖如圖3 所示。

圖3 提升機專用變頻器原理示意圖

ACC600 專用變頻器具有斷電保護、辨識、較大啟動扭矩、直流抱閘、積分加減速、速度反饋、堵轉等功能，可保證提升機安全停車并保護電路。變頻器接收PLC 的指令信號以后，通過設備運算可得出控制電壓，通過收集指令，確定提升機的運行狀態。

2.3 安全保護回路設計

安全保護回路是礦用提升機控制系統設計的關鍵一環，是控制系統安全性能的重要保障。本文采用雙安全回路設計，一個越過PLC 程序控制，通過硬件進行回路保護，稱為硬件保護；另一個為運用PLC程序進行保護，稱為軟件保護。依據實際故障的發生情況，當故障為重故障時，重故障信號發出直接越過PLC，并傳輸至繼電器，通過繼電器完成緊急制動；當故障為輕故障信號時，則運用PLC 故障處理程序進行故障處理，系統將運行完本個生產周期，完成周期運行后實行回路保護。安全保護回路系統如圖4所示。

圖4 安全保護回路系統

2.4 信號采集回路設計

信號采集回路共分為行程開關、溫度與壓力傳感器、編碼器三部分。行程開關的安裝位置在井筒處，具體安裝開關種類為：上下終端開關、上下過卷開關、上下減速點開關、上下深度校驗開關、中間深度校驗開關；溫度與壓力傳感器需在潤滑站、液壓站、潤滑泵、制動泵附近安裝，測量相應位置的溫度與壓力信息；編碼器應在電機軸、卷筒以及天輪上進行安裝，通過收集電機軸、卷筒以及天輪的脈沖信號來判斷其運行狀態是否存在故障。同時，編碼器收集的信息還可通過計算得出提升機的行駛速度以及運行位置，判斷提升機運行狀態，并將信息反饋回上位機，提升管理人員對提升機的有效控制。編碼器還可代替深度指示器，避免深度指示器的弊端。

3 系統測試

按上述設計將“可編程控制+變頻器”組合的控制方法應用于礦用提升機并進行相應的測試后發現，礦用提升機控制系統操作簡單、使用方便、運行安全，可靠性大大提升，提升了礦用提升機的使用效率，解決了提升機起步運行溫度和扭矩不足問題。經500 h 連續試運行測試后，礦用提升機控制系統無故障發生，可運用于實際煤礦生產之中。

4 結論

礦用提升機是煤礦企業生產中重要的運輸設備，對于企業的高效安全生產至關重要。本文針對傳統提升機控制系統存在的運行效率低、安全可靠性差、操作復雜、易發生故障等問題進行了針對性研究分析并進行了相應的優化設計，經研究分析得出以下結論：

1）運用直接轉矩的方法，電機可通過變頻器按照速度曲線規律實行速度調控，并有效解決電路起步轉矩較低的問題。

2）運用“可編程控制+變頻器”組合的控制方法可有效解決運行效率低、安全可靠性差、操作復雜、易發生故障等問題，并經500 h 連續運行測試，礦用提升機控制系統無故障發生。