礦井提升機電控系統改造與研究

梁 將

（山西興新安全生產技術服務有限公司， 山西 太原 030024）

引言

副井提升機是礦業生產運輸過程中不可或缺的設備，副井提升機及其配套的控制設備是非常精密與嚴格的機械與電氣設備的組合。副井提升機需要在正常工況下保持高速往復運行，即在地面和礦井之間，若發生電氣設備與機械結構出現損壞的情況，會影響整個礦井的生產安全及生產效率，嚴重時甚至會對礦井工作人員的生命安全造成不可估量的損失。由此可見，副井提升機的發展，不僅要保證提升機的高效性，更應該提升其運行安全穩定性[1-5]。

本文對提升機電控系統從安全性、高效性、系統行為基礎準則進行改造，將原先老舊的電控系統升級為更具安全性、通用性、實用節能性的控制系統，對于后期設備維護與設備維修提供便利，為工程安全實施保駕護航，且有效降低了能源消耗量。

1 礦井提升機系統構成

電控系統是所有工程機械的控制核心，對于提升機的安全性及高效性而言，提升機的電控系統主要從以下兩方面進行優化設計：一是具有穩定且高效的控制性能，電控系統的控制性能優劣將直接體現在提升機運輸的效率上；二是具有保護及突發意外情況時的保護功能。由PLC 控制的變頻器作為礦井提升機動力來源的電機的驅動系統，變頻器可根據負載的大小來同步改變電機驅動的特性，滿足對于提升機的平穩及節能要求，因此基于PLC 為控制核心、以變頻器作為驅動設備實現的電控系統是提升機電控系統改造的優選方案。

礦井提升機由多個部件組成，其中液壓系統、制動系統、電控系統、動力傳動系統為主要核心部件，控制著提升機的工作。電控系統可實現對提升機信號的接收和處理，通過PLC 內部整合后控制執行器件動作，控制相關電氣部件實現提升機的整體控制。礦井提升機系統構成如圖1 所示。

圖1 礦井提升機系統構成框圖

2 可編程控制器（PLC）電控系統

可編程邏輯控制器作為代替繼電器實現邏輯控制而開發的產品，被大量應用在各行業生產生活控制系統領域中，是工業自動化控制領域的一份子，經過數十年的發展之后，從簡單的照明系統到復雜的工業過程控制系統都離不開以PLC 為核心搭建的控制系統。

PLC 起源于20 世紀60 年代，為滿足美國汽車制造業發展而出現，現在其已經不再局限于單純的汽車行業，而是廣泛應用于各類工業控制領域?？删幊踢壿嬁刂破髟诠I環境中主要使用西門子、三菱、歐姆龍、施耐德等，在綜合考慮成本問題及安全性問題的前提下，本設計選擇西門子的S7-300 系列PLC，S7-300 系列具有調試、運行、停止和復位四種模式，以滿足提升機電控系統設計需求。CPU 模塊除作為控制核心完成設置的程序之外，還需要為背板總線提供5 V 直流電源作為其余模塊的供電電源，并通過MPI接口模塊進行通信。

3 外圍電路設計

3.1 供配電

提升機作為聯系地面與礦井下方之間的運輸機構，要求提升機具有極高的安全性與可靠性，來滿足對人身安全與礦物運輸安全保障。一旦提升機出現供電故障，會導致巨大的經濟損失并造成不良后果，因此在提升機的供電方面需要考慮更為安全的供電模式，選擇考慮可以提供更高可靠性的雙回路供電方式。以變壓器轉380 V 作為提升機供電主電源，而在備用電源上則采用獨立的備用變壓器，以方便在主電源發生故障或定時檢修時保障提升機的正常工作。在配電柜中設置電源倒換開關完成電源之間的切換功能。主控電源、PLC 供電電源和輔助設備電源均采用AC220 V，除此以外，通過小型變壓器轉換而來的還有DC220 V、DC110 V 和DC24 V 電源，以滿足控制柜內部的相關設備需要，包括但不限于控制柜內部降溫系統供電和照明供電等。

3.2 操作臺

操作臺是工作人員與機械設備互通的連接點，工作人員通過操作臺完成對提升機的操作，如運輸礦物與運送井下工作人員。除此之外，操作人員還可以獲取提升機的運行狀態和信息，因此，設計合理化的操作臺不僅可以提升提升機的工作效率，同時能夠提升提升機的安全性。該提升機的電控系統可能需要多個位于不同地點的操作臺，不同操作臺的信息與操作設置不同，但均需保留緊急安全控制按鈕，不同操作臺之間通過PLC 控制信號來完成連鎖，共享各操作臺信息。設置井口的操作臺為主控臺，主控臺保留完整且詳細的設備操作功能。

3.3 位置監測

提升機電控系統需要時刻監測提升機的位置，以保證設備的安全與穩定運行，在該電控系統中提升機的位置信號通過光電編碼器來提供，光電編碼器設置于主軸之上。隨著主軸的旋轉，光電編碼器也進行相應的方向運行動作并產生光電脈沖信號，編碼器旋轉一周能夠產生A、A-、B、B- 脈沖信號, 通過對脈沖數的采集計算提升機設備的位置、轉向和速度，進而通過PLC 控制程序完成對提升機位置的檢測。

3.4 深度指示器

深度指示器是礦井提升機安全保護設備中的組成部分，在此采用數碼管顯示和柱狀燈帶指示相結合的設計方案。數碼管為操作員提供精確的數值信息判斷罐籠位置，柱狀燈為操作員提供直觀的視覺畫面。且在設備連接上，數字式深度指示器擁有與PLC 接口搭配簡易、方便的優點，型號為DPV-96 的數字式深度指示器其輸出接口為標準電平并行接口。

3.5 井筒開關檢測

光電編碼器在提升機的運行過程中為電控系統提供位置信息，保障設備運行安全，是極為重要的裝置。光電編碼器為電控系統提供脈沖信號，長時間的運行下，會出現丟失脈沖信號的特點，為減少丟失脈沖信號所累積的誤差，需要對光電編碼器信號矯正操作。在此選擇井筒磁感應開關與光電編碼器互相搭配的方式來完成信號矯正操作，其工作原理為：在提升機某處易觸發設備處安裝感應磁鐵，并在慢速區裝設磁感應開關，當運輸裝置達到某個觸發位置時，磁開關被觸發并向PLC 發射觸發脈沖信號，PLC 內部程序被觸發，將設置好的此刻的位置脈沖與此時的光電編碼器技術脈沖進行對比，以補償誤差，達到消除光電編碼器信號誤差的目的。為了避免電壓降對于磁開關脈沖的影響進而影響檢測準確度，選擇采用DC110 V供電的磁開關。

4 軟件程序設計

本電控系統的實現需要搭配使用的軟件主要包括PLC 編程平臺、HMI 組態兩個方面。STEP7 作為S7-300 系列PLC 的編程平臺，本控制系統的PLC 便通過STEP7 進行。首先，需要搭建控制系統PLC 控制主程序流程，保護設置程序與報警程序獨立設置出來。在系統開機供電后，首先需要完成系統初始化的過程，而后PLC 本身開始進行系統自檢，自檢出錯則報警反饋故障代碼。自檢完成與正確后進行初始位置的判斷，位置監測與反饋完成后執行開車指令。而后進行同步信號的判定，若信號同步正確，則將進行下一步主程序，信號不同步則進行矯正。信號同步完成后進入速度控制程序過程，而后按順序判斷各種信號是否滿足程序需求，若滿足需求則順序執行，等待停止信號，結束程序，否則反饋對應報警信號。

HMI 人機交互平臺選擇WEINVIEW 的MT8000屏，與支持離線和在線模擬組態的組態軟件Easy-Builder8000 搭配使用完成頁面組態。本設計采用離線模擬讀取靜態數據的MT8000 觸摸屏的使用方式，在組態頁面開發的過程中方便開發人員隨時更改節約時間，無須重復下載程序。

5 提升機變頻調速系統的設計

變頻器的參與可以控制電動機在平穩電壓之下進行轉速的平均與恒定，且可以滿足在不同載荷情況下對電動機提供不同大小的力矩與扭矩，滿足速度的平穩，在實現節能效果的同時,實現電控系統在工作運行狀態中對于安全性的需求。變頻器的選型為提升機電控系統變頻調速系統設計核心內容之一，其次則是變頻器的調試使用。變頻器的選擇需要對設備所需電動機的功率及其在不同載荷下所能提供的扭矩能力所決定。因此。在考慮本系統的需求下，最終所選型變頻器的具體型號為5HK62-5B，根據提升機的工作要求，為其設計對應的PLC 控制程序，并能夠實現系統在工頻和變頻兩個工況下切換運行，其切換原理如下頁圖2 所示。

圖2 工頻與變頻調速系統切換結構示意圖

將改造后的電氣節能控制系統應用于實際生產中發現，就目前某煤礦的日常提升運輸任務而言，在變頻調速系統的控制下提升機處于低速運行的時間約占提升機一個循環提升時間的25%左右；傳統調速系統的控制下，在一個提升循環內僅有10%的時間處于低速運行時間。此外，提升機采用電氣節能控制系統后，在調速過程中對系統造成的沖擊明顯降低，間接地解決了提升運輸的成本。綜合比較可知：電氣節能控制系統的應用可為提升機的實際提升任務節能約30%。

6 結語

煤炭生產需求量的擴大及礦井設備的數字化發展方向隨著國家政策的發展導向而進行自動控制轉換，過時的老舊礦井提升機在安全性與高效性上與新型自動提升機相比有著巨大的差距，本文對煤礦提升機電控系統的改造和研究，為提升機電控系統的更新與研究提供了參考依據?；赑LC 為核心的提升機電控系統不僅完成了高效化與自動化，同時也順應國家發展戰略完成了節能減排要求與數字化要求。項目運行結果顯示，按照此指導方向而完成的電控系統安全、可靠且節能減排，除工業要求的系統控制精度較高之外，實際相關人員的使用滿意度與安全感也有較大提升。