興峪煤礦提升機變頻控制系統設計研究

賈劉旭

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

現代煤礦生產作業中所需設備較多，提升機是井下重要的輔助運輸設備，肩負著地面和井下的運輸任務（物料、人員、煤炭等）。提升機的效率和穩定性與煤礦安全高效生產密切相關。興峪煤礦現用提升機采用遠距離液控操作方式，在實際使用中，該調速方式故障發生率較高，效率低，影響煤礦安全高效生產。因此，決定對興峪煤礦提升機控制系統進行技術改造。

2 提升機控制系統改造的必要性

2.1 JKY-2.0/1.8 型提升機原理

該提升機主要由機械、液壓傳動、電氣部分等構成。利用防爆電機驅動雙向變量主油泵，主油泵與2 臺曲線低速大扭矩液壓馬達組成閉合回路、恒扭矩液壓調速系統，2 臺液壓馬達拖動提升機運轉。工作人員遠距離通過操控液壓式比例先導閥手柄位置及主油泵的流量變化，控制提升機啟動、運轉。

2.2 提升機在運行控制方面存在的問題

（1） 變量主油泵控制液壓馬達容積式調速回路操控性不良。

通過變量泵控制液壓馬達進行容積式調速，可控性差、平層精度低、沖擊大、效率低，屬于開環控制，馬達輸出轉速由系統精度決定，沒有轉速反饋。液壓馬達的效率受油壓、油液粘度、溫度等因素的影響，液壓馬達輸出動態參數不易精確控制。提升機的啟動、加速、等速、制動等環節，依靠工作人員手動操作控制，存在一定安全隱患。

（2） 液壓驅動回路和安全制動回路協同性不一致。

提升機在加速起動、減速停車的瞬間，工作人員操作減壓式比例閥向液壓驅動系統和制動系統同時發出指令。液壓驅動系統為泵控馬達，而制動系統為閥控缸系統，前者的響應較后者速度慢，導致出現“上坡起動負載瞬時下滑”、“停車沖擊”的現象，存在安全隱患。

（3） 提升機采用TKD 電控系統。

該電控系統使用的繼電器、接觸器較多，電路相對復雜，且噪聲大。調速過程中轉矩和速度脈動大，產生大量的轉差功率，消耗在轉子回路，造成轉子發熱，耗能高。

（4） 提升機自動化水平不高。

提升機的運轉主要依靠工作人員進行操作和監控，操作自動化水平低、人員乘坐舒適度差。

綜上所述，決定對興峪煤礦提升機控制系統進行改造，以提高提升機的安全性及自動化程度。經分析研究，決定從PLC 控制、變頻技術兩方面對提升機控制系統進行改造。

3 整體方案設計

3.1 控制系統

此次設計的提升機控制系統核心為PLC 控制器和變頻器，兩者互相獨立又相互協作，共同對提升機的狀態進行控制，如圖1所示。

圖1 變頻調速控制系統框架圖Fig.1 Frame diagram of frequency control system

提升機的牽引力由滾筒提供，滾筒動力源由液壓站提供。為防止溜車事件發生，提升機啟動時，機械抱閘松開前，變頻器給電動機施加一個力矩。操作臺是提升機的操控核心，可對提升機的速度、制動力、牽引力等進行設置、調整、指令發送等。傳感器實時采集提升機的運行狀態數據，旋轉解碼器檢測電機轉速，檢測數據傳送至PLC，PLC 對所得數據分析，在保障提升機高效運行的前提下，對提升機進行速度控制。發生異常，則給液壓站下達指令，對滾筒進行制動，控制提升機停止。

3.2 運行方式

興峪煤礦提升機實際運行階段可以分成5 部分，即加速、等速、減速、爬行和制動。提升機開機運行后，首先進行加速階段，以一定的加速度加速（根據運輸物的不同，加速度也需進行調整，此次設計運人時加速度不超過0.75 m/s2，運物時加速度不超過1.2 m/s2），直至到達設定的最大速度；之后進入等速階段，提升機勻速運行；臨近終點時，轉為減速階段，以同樣的加速度進行減速；為防止提升機罐籠突然停止發生事故，減速到達設定位置時，提升機以一個較低的速度勻速運行一段時間，此為爬行階段；最后到達終點，提升機進行制動。

4 變頻調速控制系統的具體設計

提升機原控制系統采用的TKD 電控模式，使用幾十個大功率繼電器、大量大功率整流管、繞線電阻、電流控制元件等。耗能高，且結構復雜，故障率高。以PLC 作為主控元件，配備旋轉編碼器及傳感器組成的控制系統，可大幅減少繼電器用量、替代磁放大器。

變頻器將工頻電源轉換成頻率和電壓可調的電源，驅動電機實現調速。變頻調速解決了TKD 控制系統在快速、減速或急停時的再生發電能量問題、降低了機械沖擊力。

以上兩方面，有效的減少轉差功率消耗，達到節能效果。

4.1 PLC 控制部分

4.1.1 PLC 的選型

西門子S7-400 系列PLC 具有極高的處理速度和通訊性能、卓越的CPU 資源裕量；免風扇設計，噪音小、操作簡單、壽命長；適應環境溫度-25 ℃～60 ℃，可承受較高機械和生物負荷及鹽霧場合。因此，結合興峪煤礦提升機現場情況，此次優化設計選用西門子S7-400 系列PLC 控制器，適用于惡劣環境，滿足煤礦使用要求，設備連接如圖2所示。為了構成冗余，確保系統安全運行，采用2 套PLC 控制器，一主一備，如圖3所示。

圖2 設備連接Fig.2 Device connection

圖3 PLC系統Fig.3 PLC system

4.1.2 PLC 端口統計

提升機對系統的精度要求不是很高，響應時間達到毫秒級即可。在滿足要求的情況下面，從經濟性、適應性、通訊性能方面進行綜合考慮，此次設計開關輸入量需13 個點、輸出量需12 個點。見表1、表2。

表1 PLC I/O 輸入點統計Table 1 Statistics of PLC I/O input points

表2 PLC I/O 輸出點統計Table 2 PLC I/O output point statistics

續表

4.2 變頻器部分系統

變頻器是控制系統的調速核心組件，其原理是輸出不同電壓給電動機，實現電動機的轉速調整。此次改進設計選擇SM150 型變頻器。電動機變頻調速主電路如圖4所示。

圖4 電動機變頻調速系統主電圖Fig.4 Main electric diagram of motor variable frequency speed regulation system

西門子公司生產的SM150 型變頻器，具有擬超導技術、矢量控制技術，對負載變化可以迅速響應，有力保證控制系統的穩定性和精度。變頻器外部接線如圖5所示。

圖5 變頻器外部接線Fig.5 External wiring of inverter

4.3 主要傳感器選用

為提高設備運行可靠性，利用傳感器對提升機關鍵運行數據進行監測。

（1） 閘瓦屬于制動器的易損件，一旦異常將會造成剎車失效，需對閘瓦磨損情況進行監測。此次設計選擇LXK3-20S/L 型行程開關進行閘瓦磨損監測，一旦磨損嚴重程度到達設定閾值，即刻報警。

（2） 鋼絲繩的松緊度與提升機的平穩運行密切相關，選用KBXC-5/127-1 型行程開關進行松繩監測，一旦出現松繩情況，即刻停止提升機運行。

（3） 在礦井進口處安裝DI-SORIC 磁敏開關，對提升機位置進行實時監測。

（4） 提升機制動是第一安全防線，必須可靠，因此選用PTH504 壓力變送器對制動油壓力進行監測，保障系統安全運行。

（5） 電動機轉速的調整是實現提升機變頻調速的關鍵，因此選用E6B2-CWZ5B2000P/R 旋轉編碼器對電動機轉速進行監測，保證提升機正確調速。

4.4 PLC 程序設計

提升機變頻調速需要變頻器和PLC 協作完成，控制主流程如圖6所示。開始時對PLC 進行系統自檢，確保系統安全性。檢測完成后發出開車信號，提升機開始運轉，按照前述加速、等速、減速、爬行和制動5 個階段開始變頻運行。運行期間，各傳感器對運行參數進行實時監測，并傳送至PLC，出現隱患，發出報警，并下達指令進行預處理。

圖6 提升機變頻調速控制回路主流程Fig.6 The main process of hoist frequency conversion speed control loop

5 結語

礦用提升機變頻調速系統依靠PLC 和變頻器的聯合協作實現，將設計的提升機變頻調速系統在興峪煤礦實踐應用一段時間后，控制系統可以依照設定的程序，根據實際運輸情況對提升機的速度進行靈活調整，各階段過渡平滑，滿足安全高效生產需求。變頻調速技術應用后，提升機能耗明顯下降，降幅約10%；設備運行平穩，故障率明顯下降，節約了備件費、維護費，同時延長了設備使用壽命，為企業帶來長遠效益。