礦井提升機變頻控制系統優化設計*

寇 斌

(山西西山煤電貿易有限責任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

礦井提升機是煤礦重要的運轉設備之一，負責礦井上、下人員，物料和煤炭的運輸工作，關系到整個煤礦的生產安全，是煤礦生產的關鍵設備之一。 因此，結合當前先進控制技術，設計具備動態調速功能的礦井提升機變頻控制系統成為提升礦井提升機工作效率和安全性的重要目標。

現有礦井提升機存在耗電量高、調速性能有限、安全性差的問題，對提升機高效運轉、礦井安全生產帶來許多不利和困難。 智能變頻控制技術的應用，為礦井提升機的適應性調速、節能降耗、安全生產帶來便利，能夠充分應用智能變頻控制技術達到礦井提升機安全、節能、高效運行的目的。

筆者基于智能變頻控制技術設計的礦井提升機變頻控制系統優化方案，重點對礦井提升系統、提升機變頻控制系統硬件方案、軟件方案進行設計闡述，通過系統測試驗證上述功能的適用性和正確性，實現礦井提升機控制系統智能化、信息化的運行目標，對提升礦井提升機井下安全作業系數和作業效率具有重要意義。

1 礦井提升系統分析

礦井提升系統結構框圖見圖1 所示，其中主軸裝置用于固定滾筒，可承受機械旋轉部分的徑向和軸向負荷，同時可承受危險情況的特殊負荷值；可纏繞鋼絲繩控制罐籠上提或者下放，同時可調節鋼絲繩的長度[1]。

圖1 礦井提升系統結構框圖

減速器與主軸相連，用于降低或增加電機的輸出轉速，并可以將其調節至滾筒所需工作轉速。 電機為交流繞線式感應電機，通過電機旋轉帶動滾筒旋轉，進而達到罐籠上提或者下放的目的。 液壓制動系統用于控制提升機可靠停車制動和安全制動，同時可實現參數速度控制、鋼絲繩長度調節。 深度指示器用于明顯指示罐籠的運行位置，接近上下井口時發出減速信號，發生故障時切斷安全回路。 變頻控制系統用于控制礦井提升機的運行，是礦井提升機的核心系統[2]。

2 提升機變頻控制方案設計

礦井提升機變頻控制方案設計原理見圖2 所示，其由PLC 控制系統、低壓配電系統、變頻調速系統、操作臺控制系統、能耗制動系統以及上位機監控系統組成[3]。

圖2 礦井提升機變頻控制方案設計原理

3 硬件設計

礦井提升機變頻控制系統優化方案硬件設計主要包括控制器、變頻器、檢測傳感器等。其中控制系統采用雙線制PLC 控制系統，選用西門子313C-2DP PLC 控制器兩個，各自附帶16DI/DO；根據提升機變頻控制方案設計要求，擴展32 DI SM321 模塊4 個，16 DO SM322 模塊4 個，8 AI SM331 模塊2 個，4 AO SM332 模塊2 個，5A PS307 電源2 個。 表1 為根據提升機變頻控制方案設計原理，對PLC 控制系統的地址進行I/O 點分配的統計表。

表1 礦井提升機變頻控制系統PLC 地址分配統計

根據礦用提升機負載性質、變化規律，計算變頻器的容量、過載能力以及起動能力，選用的變頻器型號為ACS800-07-0550-7，采用直接轉矩控制模式[4]。 閘磨損檢測行程傳感器安裝于每一組(共四組)閘邊，為LXK3-20S/L 碰頭式行程開關，碰頭頂住閘皮時，輸出常閉信號；當閘瓦磨損時，輸出常開信號，同時切換安全回路，保證提升機安全運行。 松繩檢測行程傳感器安裝于鋼絲繩兩端，為LEX-3-001搖臂式行程開關[5]。 當提升機鋼絲繩發生松繩時，鋼絲繩會壓倒行程開關，斷開安全回路，迫使提升機無法運行。 罐籠到位檢測行程傳感器用于檢測提升機的運行規律和速度曲線，利用磁敏開關和磁鋼的吸合作用達到確定罐籠位置的目的。 選用罐籠到位檢測行程傳感器的型號為BEX-5-02，防爆等級IP55。圓盤深度指示檢測開關安裝于提升機的上下過卷以及終端，利用霍爾效應確定罐籠的位置。 制動油壓檢測傳感器安裝于液壓站出管的A 管、B 管上，可檢測0～10 MPa 壓力，輸出為4～20 mA 電流信號[6]。

4 軟件設計

礦井提升機變頻控制系統優化方案軟件設計基于STEP7、采用功能塊編程方式實現。 根據提升機變頻控制方案設計以及硬件設計原理，軟件流程以及模塊劃分見圖3 所示。

為保證提升機運行過程平穩、安全、可靠，采用帶加速度變化限制的速度給定模式，由軟件實現提升運行速度曲線的S 化，產生S 型速度給定曲線，保證提升機在加速起動段、減速制動段產生期望運行曲線[7]。

5 試驗分析

5.1 試驗參數

礦井提升機變頻控制系統試驗時選用的提升機主要參數見表2 所列，額定電壓為AC380V，額定電流為320 A，額定功率為160 kW，電機轉速為742 r/min。

表2 提升機主要參數

試驗前，需對變頻器的主要參數進行設置，詳細參數設置值以及物理意義見表3 所列，將額定電壓、欸頂電流、電機轉速設置為與提升機參數一致。

表3 變頻器主要參數設定

5.2 試驗過程

通電前完成系統硬件連線檢查，在確保安全的情況下通電。 在完成PLC 控制系統輸入、輸出邏輯調試、整體調試、系統保護調試、操作臺監控調試后，重點完成手動控制、自動控制模式下的提升機加速過程、等速過程、減速過程試驗[8]。

加速過程:司機收到開車信號后，先推工作閘，再推主令，絞車開始運行后，將主令手柄慢慢推位或推至極限位置[9]。

等速過程:此時工作閘比例電流在顯示屏上顯示3.7 mA 左右，當顯示屏上速度顯示為最大值3.2 m/s時，轉矩輸出、速度輸出趨于平穩。

減速過程:減速點到后，有相應的語言報警和警鈴聲，提升速度逐漸降低，到位后自動停車。

5.3 試驗分析

試驗過程中，連接示波器并實時采集提升機在加速、等速、減速過程中的速度曲線，如圖4 所示，其中1 為提升機速度響應曲線，2 為速度給定曲線[10]。 由圖4 可知，應用變頻控制系統優化方案后，該提升機加、減速平穩，停車時能實現電氣和液壓制動，能實現高性能的頻率控制、轉速控制和轉矩控制，大大改善了提升機工作性能。

圖4 手動控制全過程速度響應曲線

6 結 論

以礦井提升機為研究對象，重點介紹了硬件、軟件設計思路和方法，基于雙PLC 控制系統，融合變頻控制技術、傳感器技術對原礦井提升機控制系統進行優化并完成試驗分析。

(1) 優化后的礦井提升機控制系統，在滿足提升機安全、穩定運行的前提下，實現了加速、等速、減速過程的平穩運行，改善了提升機的工作性能。

(2) 經試驗分析驗證，優化后的礦井提升機控制系統滿足設計要求，提升了礦井提升機的智能化水平，有助于提高提升機井下作業安全系數和作業效率。