煤礦提升機變頻調速及監控技術設計分析

杜維平

（山西汾西正旺煤業有限責任公司， 山西 孝義 032300）

引言

提升機是礦井運輸的主要設備，主要用以物料、人員等轉運，控制系統是提升機核心組件，其運行效率及性能優劣直接影響提升機運行可靠性[1-2]。提升機傳統的控制方式多為接觸器、繼電器結合方式，此種控制方式存在操作性差、故障率高等問題[3]。隨著PLC 控制技術在煤礦機電設備推廣應用，采用PLC 與變頻器結合方式對提升機進行控制，可顯著增強提升機控制精度及可靠性。

基于上述問題，本文以山西某礦提升機控制為工程背景，對變頻調速監控技術進行分析，以期更好地促進礦井生產。

1 提升機變頻調速及監控技術方案

現階段煤礦井下常用的變頻調速控制方式包括有交- 直- 交、交- 交變頻兩種方式，其中交- 直-交通過整流器、斬波器整流、調壓后經逆變器輸出為特定頻率交流電，交- 交變頻是通過一次變換將額定頻率交流電轉換為特定頻率的交流電。隨著技術發展，變頻調速最為常見的控制方式為矢量控制法。文中就基于交- 直- 交變頻方式來實現提升機變頻調速控制。

山西某礦應用的提升機變頻調速控制系統結構如圖1 所示，系統包括有PLC 控制單元（一用一備）、運行狀態監控系統、操作臺、減速器、變頻電機以及液壓站等構成。其中運行狀態監控系統接收來至于PLC的監測信號，并在監控設備上實時顯示提升機各部位運行參數、故障信息等；操作臺向PLC 發出控制指令，實現啟動、運轉以及停止等操作；2 套PLC 控制單元按照冗余原則布置，最大限度實現提升機可靠運行；變頻電機可依據需要控制電機轉速，實現提升機運行速度變頻控制；液壓站為驅動滾筒提升制動力，避免出現溜車。

圖1 提升機變頻調速及監控系統結構示意圖

2 變頻監控系統

2.1 系統硬件結構

2.1.1 變頻器

由于煤礦井下環境惡劣，變頻器在惡劣環境下工作時對其可靠性提出更高要求。在參考以往研究成果基礎上并結合煤礦井下使用的變頻器類型，選擇采用SB61G110 kW 變頻器，該變頻器由森蘭公司生產，在負載、速度等同時變化時仍可保持較好的穩定性。同時使用的變頻器具備有矢量控制、擬超導技術，可快速保護變頻器過載、接地、短路等故障。

2.1.2 PLC 控制單元

采用2 套PLC 控制單元對提升機運行速度進行控制，從而確保提升機按照S 形速度曲線進行。監控單元是對提升機運行速度、罐籠位置、變頻器以及卷筒狀態等參數進行監測，并對可能出現故障的設備發出保護指令，提高提升機運行安全性。

提升機運行控制采用的PLC 為西門子S7-300，變頻調速監控系統PLC 為西門子S7-200。選用的PLC 控制單元具有環境適應性強優點，可承受短期沖擊負載沖擊。主控PLC 以及變頻調速監控PLC 易于編程操作、接口端豐富等優點，可實現各種邏輯運算以及控制信號處理。主控PLC 對提升機運行、液壓系統制動進行控制，從而使得提升機啟動、加速、減速等環節更為平穩；監控PLC 對變頻電機電流、電壓、轉速等實時監測。

2.1.3 計數模塊及編碼器

計數模塊及編碼器是實現提升機精準運行控制的關鍵組件，選用使用的計數模塊型號為FM350，可同時對4 路脈沖信號計數；選用的編碼器型號為TRD-N2000-RZ，編碼方式為增量式，信號電壓24 V，將編碼器布置在提升機驅動輪、導向輪上。通過計數模塊及編碼器結合使用，可顯著增強提升機提升速度及提升設備位置監測精度。

2.2 變頻調速監控軟件設計

2.2.1 調速控制曲線

提升機操作人員通過控制臺實現啟動控制，在啟動初期主控PLC 通過控制控制變頻電機電流輸出頻率實現電機轉速控制，同時液壓系統松閘，提升機按照啟動指令運行。在提升機運行過程中，運行速度調整依據設定高的速度曲線進行，速度曲線優劣會對提升機使用壽命以及穩定性等帶來影響。文中依據以往研究成果并結合煤礦實際情況，提出采用7 段式S 速度曲線控制方法，具體速度控制曲線如圖2 所示。

圖2 提升機運行速度控制曲線

提升機運行速度調整分為快速加速、慢加速、均勻加速、勻速度、快速減速、滿足減速以及勻減速等階段，采用此種速度控制方式時不會導致提升機運行速度突變。提升機啟動、停止過程中速度變化更為平穩，有利于提升機運行效率提升以及速度控制。

2.2.2 邏輯控制流程

具體提升機運行速度邏輯控制流程如圖3 所示，在上文所述7 段式S 曲線速度控制基礎上，通過編制S7-300 主控制PLC 控制程序，實現變頻電機運行控制，從而可以使得提升機按照設定的速度曲線運行。監控系統中S7-200PLC 對提升機設備運行參數進行采集，并分析故障信息（包括超速、過卷、過載以及松繩等），確保提升機可平穩運行。

圖3 變頻調速及監控邏輯流程圖

3 結語

提升機是煤礦井下運輸的主要設備之一，確保提升機高效、可靠運行對提升礦井生產效益具有重要意義。隨著變頻控制技術發展，變頻電機、PLC 相結合方式對提升機運行控制更為普遍。以山西某礦主提升機為工程背景，對提升機變頻調速技術發展現狀進行分析并具體設計變頻調速及監控技術方案。對變頻調速以及監控系統硬件結構進行選型并確定邏輯控制方案。礦井應用實踐表明，所設計的提變頻調速及監控系統可滿足提升機運行控制需要，并可在一定程度上增強提升機運行可靠性及適應性。