礦用提升機變頻調速控制系統設計

鄭海峰

(華陽集團 一礦機電工區，山西 陽泉 045000)

0 引言

提升機是煤礦大型自動化運輸設備之一,主要用于井上井下人員、物資設備、煤炭矸石等的傳送運輸,其安全穩定高效運行對于煤礦生產至關重要。由于提升機需不間斷運行,其能耗及零部件故障率較高,且相應控制系統組成較為復雜,電機在運行過程中需頻繁進行頻率轉換,導致提升機運行安全性、可靠性較差。目前我國提升機控制技術除趨于淘汰的轉子串電阻方式外,多數采用直流電機傳動等方式,調速性能極為有限。而具備提升容量大、調速范圍寬等優點的交流變頻調速系統則依賴進口,自主研發技術仍不夠成熟。

針對上述問題,本文對煤礦提升機變頻控制系統結構進行了詳細分析,從軟、硬件分析設計入手對提升機控制系統變頻調速各核心部分進行架構,最終設計完成了煤礦主井提升機變頻控制系統。系統采用PLC為控制核心實現與交流變頻器的對接,在保證調速性能的同時進一步提高系統的自動化程度及擴展性,從而有效解決傳統變頻調速控制系統響應速度慢、準確性低等問題,對于煤礦提升機運行效率及安全性的提高具有實際應用價值。

1 提升機變頻調速控制系統方案設計

1.1 煤礦提升機控制系統組成

煤礦提升機控制系統主要由主軸牽引單元、變頻調速單元、液壓制動單元、電氣控制及輔助系統組成[1-3]。其中,主軸牽引單元用于控制牽引繩,變頻調速部分包括變頻器、減速器與電動機,液壓制動部分由制動器及液壓傳動裝置組成,輔助系統包括潤滑站及深度探測裝置等,電控部分用于執行提升機控制操作及運行狀態監控。提升機控制系統組成如圖1所示。

圖1 提升機控制系統組成框圖

傳統提升機電控系統采用繼電器或單PLC對整個提升機系統進行控制,導致提升機在加減速階段速度控制性能較差,停車位置不夠準確,需頻繁進行位置調整,能量損耗嚴重,當繼電器或單個PLC發生故障時無法維持系統的正常運行,系統可靠性較差。因此本文對提升機調速控制系統的優化設計重點為電控系統的改造升級。

1.2 煤礦提升機電控系統改造方案

為最大化提高提升機變頻調速控制系統運行效率同時節約成本,本文將原系統的主軸牽引單元、液壓制動單元及輔助系統予以保留,針對系統中的電氣控制部分、變頻調速部分及上位機監控部分進行改造設計。

1.2.1 電控系統

系統采用雙PLC冗余控制結構代替原有單PLC及繼電器控制模塊,兩個PLC分別作為系統主控機和監控機,由主控PLC控制系統I/O輸入輸出,監控PLC進行系統運行參數采集,并與主控PLC實時通訊,當主控PLC發生故障時立即切換至監控PLC進行系統控制。

1.2.2 變頻調速系統

改造方案在原系統的電機轉子回路基礎上增加了工頻-變頻切換裝置,當變頻器出現異常時由電控系統控制切換至原調速模式,保持系統繼續運行。變頻調速系統采用高性能礦用高壓交流變頻器,可在高動態及調速性能下實現對提升機電機的頻率、轉速及轉矩控制,同時高性能變頻器自帶綜合保護及參數采集功能,易于實現自動控制,可與雙冗余PLC電控系統形成良好的控制及監測交互。

1.2.3 上位機監控系統

改造方案采用WinCC組態軟件對上位機監控系統進行設計,使人機交互界面更為直觀簡潔,有效實現了提升機遠程控制及各類運行參數監測等功能。

2 提升機控制系統硬件設計

按照改造方案對系統硬件結構及設備進行選型設計,系統采用雙PLC冗余控制模塊實現提升機操作控制、運行狀態監測及液壓制動系統、輔助系統及安全電路的控制,有效提高系統可靠性。系統采用結構簡單、效率高、輸出波形良好的礦用高壓變頻器替代原有380 V交流變頻器,在提高調速效率及性能的同時可進一步降低能耗。提升機控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 提升機控制系統硬件結構框圖

系統選用西門子S7-400可編程控制器作為主控機,選用S7-300作為監測機,S7-400及S7-300的高效、高可靠性及高速運算能力可滿足提升機控制系統對控制精度、傳輸及運算速度的需求。二者采用Profibus實現通訊,當主控機發生故障時立刻切換至監測機完成系統所有控制機監測功能。冗余雙PLC模塊配置如表1、表2所示。

表1 主控PLC模塊配置表

表2 監測PLC模塊配置表

高壓變頻器作為直接驅動高壓電動機的電能控制裝置,可實現對電機的無級調速,同時其過載能力強、效率高、輸出波形良好的優點可進一步提高提升機控制系統的調速及節能性能。本文選用CF-GYG型交-直-交礦用高壓變頻器,其額定容量為500 kW,可適配本系統容量為400 kW的三相異步電動機,具有高功率因數、高可靠性、低諧波含量和低功耗等特點。CF-GYG采用電流矢量控制方式,輸出電壓調節采用高載頻PWM控制,其逆變效率可達98.5%以上,整機運行效率>97%,輸入功率因數>0.95,工作性能優越;其平均無故障工作時間>100 000 h,平均修復時間<10 min,可靠性較高;同時CF-GYG具有內置濾波器,輸出電壓諧波<3%,無需額外輸出濾波器即可適配于系統電機,完全能夠滿足本系統調速控制需求。

3 提升機控制系統軟件設計

本文采用WinCC組態軟件對上位機監控軟件進行設計,進一步提升上位機系統功能性及操作性,通過可視化交互界面可對提升機運行狀態及主要設備參數進行實時顯示監測,如主機行程、提升速度、制動油壓等。通過上位機軟件交互平臺可對深度探測器等各類傳感設備及牽引繩松緊進行遠程調節矯正及參數設定,同時具備安全回路及歷史曲線顯示功能,可對提升機是否到位、變頻正反向、檢修或常規等運行狀態進行監測及控制。系統上位機組態界面設計如圖3所示。

圖3 系統上位機組態界面

4 結束語

本文針對傳統提升機控制系統存在的不足,提出了一種采用雙冗余PLC控制、高壓變頻器驅動調速的提升機電控系統改造方案,從電控系統、調速系統及監控上位機三個部分進行軟硬件優化,有效提高了提升機控制系統的調速、節能性能及運行效率,對于煤礦提升機智能化發展具有實際意義。