礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

馮建民，周雨松，張紫薇，王博，李猛

(1.西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安710075;2.西部證券股份有限公司，陜西西安710004)

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

馮建民1，周雨松1，張紫薇2，王博2，李猛2

(1.西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安710075;2.西部證券股份有限公司，陜西西安710004)

針對礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展，分析了礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的組成和現(xiàn)狀，提出了礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)傳動(dòng)方式多樣化、控制模式網(wǎng)絡(luò)化、監(jiān)測智能化及無人值守的發(fā)展方向，指出電控系統(tǒng)無人化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化是數(shù)字化礦山建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

礦井提升機(jī);電氣傳動(dòng)系統(tǒng);自動(dòng)化控制;智能化

礦井提升機(jī)作為井上井下的唯一輸送通道，是礦山的咽喉設(shè)備，其運(yùn)行性能的好壞與優(yōu)劣不僅直接影響到礦山的生產(chǎn)效率，而且影響到礦山的生產(chǎn)安全，同時(shí)它也是礦山機(jī)電自動(dòng)、智能化發(fā)展水平的顯著標(biāo)志，是數(shù)字化礦山建設(shè)的重要組成部分。

礦井提升機(jī)屬往復(fù)運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，且其負(fù)載為位能型負(fù)載，其對電控系統(tǒng)要求比較高，所以它的電氣傳動(dòng)及控制一直是各國電氣傳動(dòng)界的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

1 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的范圍

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)主要包括配電控制系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)三大部分。

配電系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償SVC或SVG、高低壓配電(含各種變壓器)及綜合保護(hù)系統(tǒng)。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括閘控制系統(tǒng)、數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)等工藝控制。

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，總體上分為交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)兩類，其中交流傳動(dòng)有繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)、低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、交交變頻調(diào)速系統(tǒng)、交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)等;直流傳動(dòng)有發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)組直流調(diào)速系統(tǒng)、晶閘管供電直流調(diào)速系統(tǒng)等。

1.2 礦井提升機(jī)配電系統(tǒng)

1.2.1 高壓配電系統(tǒng)

高壓配電系統(tǒng)采用單母線分段結(jié)線方式，雙電源進(jìn)線。兩回電源相互閉鎖，當(dāng)一段電源故障時(shí)另一段電源能擔(dān)負(fù)全部負(fù)荷。高壓系統(tǒng)一般采用KYN28系列高壓真空開關(guān)柜。

高壓電源二次回路的連鎖和控制接點(diǎn)，輸入到提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)即PLC系統(tǒng)進(jìn)行操作控制，便于遠(yuǎn)程集中控制和監(jiān)測。同時(shí)提供過載、過壓、過流報(bào)警節(jié)點(diǎn)。

1.2.2 變壓器

采用干式環(huán)氧樹脂澆注式變壓器，其數(shù)量與容量根據(jù)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)方案的不同而不同(見表1)。

表1 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)變壓器配置數(shù)量

1.2.3 低壓配電系統(tǒng)

低壓電源為AC380V/220V電源，采用單母線運(yùn)行方式，為全系統(tǒng)提供控制、操作電源。配置低壓電源柜，向電控系統(tǒng)、車房吊車、空調(diào)、冷卻風(fēng)機(jī)、液壓站、照明以及檢修開關(guān)提供控制、操作電源。為防止供電系統(tǒng)意外停電造成事故，增設(shè)大容量UPS電源，保證控制電源安全、可靠，同時(shí)完成主機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的工藝控制。井下低壓電源為AC380V，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，電源引自井上低壓控制電源系統(tǒng)中的隔離變壓器。計(jì)算機(jī)及PLC電源采用集隔離、穩(wěn)壓、濾波、整形、抗干擾和凈化功能于一體的交流參數(shù)穩(wěn)壓器。配電裝置饋出回路除滿足提升機(jī)及電控設(shè)備以及主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)本身所要的電源回路外，根據(jù)設(shè)計(jì)具體要求，留有供用戶使用的備用饋出回路，并滿足容量要求。

1.2.4 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)

近年來由于礦山加大了開采力度，大功率大容量的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，提升機(jī)電控系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響也越來越大，尤其是大功率交交變頻系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，要求對電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波抑制，一般采用SVC或SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)。

1.3 礦井提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

礦井提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用PLC控制器為中心，結(jié)合外圍的設(shè)備完成提升系統(tǒng)的各種工藝控制，包括速度給定、行程控制、故障保護(hù)、閘控制、信號(hào)控制等。控制和監(jiān)控系統(tǒng)采用兩套PLC和繼電器來完成提升工藝的控制及監(jiān)控。上位機(jī)、主控PLC、操作保護(hù)PLC、主傳動(dòng)設(shè)備、信號(hào)系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線構(gòu)成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，這樣，減少了設(shè)備之間的連線，增加了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)為地面生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)或全礦集中控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊提供了必要的接口，以便于實(shí)現(xiàn)礦山的高度自動(dòng)化。

1.4 礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

我國在1980年代以前，提升機(jī)電氣傳動(dòng)主要采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻交流調(diào)速系統(tǒng)，少數(shù)則采用發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)組直流調(diào)速系統(tǒng);1980年代以后，提升機(jī)電氣傳動(dòng)主要是采用晶閘管直流供電的直流調(diào)速系統(tǒng);近年來，提升機(jī)電氣傳動(dòng)尤其是2000kW以上的主要采用交交變頻調(diào)速系統(tǒng)和交直交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。

一般而言，具體的傳動(dòng)系統(tǒng)采用哪種方案，主要是根據(jù)提升機(jī)容量要求，經(jīng)過性價(jià)比較后決定，其大概劃分見表2。

表2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)性能與應(yīng)用情況

2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展方向

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，展現(xiàn)出如下的發(fā)展方向。

2.1 傳動(dòng)方案多樣化

隨著傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率的交流變頻技術(shù)的發(fā)展，礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的傳動(dòng)方案越來越多樣化，根據(jù)用戶的實(shí)際需求，可以配置各種不同的更加合理的傳動(dòng)方案。特別是近年來我國加大礦山的開采力度，大功率大容量的礦井提升機(jī)需求越來越多，大功率的交交變頻系統(tǒng)和大功率的交直交變頻系統(tǒng)應(yīng)用越來越多。

整體而言，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)是礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，但在中等功率范圍內(nèi)，VM直流傳動(dòng)系統(tǒng)由于其良好的性價(jià)比，仍有廣泛的應(yīng)用空間。同時(shí)，隨著中壓四象限變頻技術(shù)的發(fā)展成熟，中壓變頻技術(shù)必將在礦井提升機(jī)上得到更多的應(yīng)用與發(fā)展。G－M直流調(diào)速方案、轉(zhuǎn)子回路切電阻方案以及脫胎于串級調(diào)速的雙饋轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速方案，必定逐漸淘汰。

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化

現(xiàn)階段礦井提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，均是用單PLC或雙PLC為中心，采用遠(yuǎn)程I/O，通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，是現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為融入礦井信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山，礦井提升機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將來必將采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場控制層與集中管理層間的無縫聯(lián)接，所以控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是一個(gè)必然的過程，是數(shù)字化礦山系統(tǒng)的重要組成部分。

2.3 監(jiān)測智能化且保護(hù)多樣化

為適應(yīng)礦井提升機(jī)自動(dòng)化不斷提高的要求，對現(xiàn)場設(shè)備需要更詳盡更可靠的監(jiān)測和控制，因此各種高性能、智能化的監(jiān)測手段必將不斷涌現(xiàn)，各種后備保護(hù)必須安全可靠，保護(hù)冗余。如對液壓站實(shí)時(shí)監(jiān)測與保護(hù)、對閘盤間隙等實(shí)時(shí)監(jiān)測與保護(hù)，設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字式監(jiān)控器等。

2.4 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人值守

隨著企業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，每個(gè)礦山的礦井提升機(jī)的數(shù)量持續(xù)增多，生產(chǎn)任務(wù)不斷加重，而勞動(dòng)力資源卻在自然減員，迫切要求礦山對多臺(tái)提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制與管理，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)提升機(jī)遠(yuǎn)程集中控制、機(jī)房無人值守，減少勞動(dòng)力、增加勞動(dòng)效率，保證提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行，對礦井安全、持續(xù)、高效生產(chǎn)，加快礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)程而言，將具有重要的實(shí)際意義與經(jīng)濟(jì)意義，是數(shù)字化礦山的高級應(yīng)用實(shí)例。

3 筆者對礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)踐與應(yīng)用

筆者多年來一直從事礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過繞線型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻提升機(jī)電控系統(tǒng)、模擬板件V－M晶閘管供電的提升機(jī)電控系統(tǒng)等。目前，筆者設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)，主要包括通用低壓變頻系統(tǒng)、直流傳動(dòng)系統(tǒng)、交交變頻系統(tǒng)和交直交變頻系統(tǒng)。隨著數(shù)字化礦山建設(shè)的發(fā)展，筆者也研究設(shè)計(jì)了礦井提升機(jī)集中智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為3大部分，即現(xiàn)場級的提升機(jī)智能化控制系統(tǒng)、管理級的提升機(jī)集中管理系統(tǒng)以及集中工業(yè)電視視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由3大網(wǎng)絡(luò)組成，即現(xiàn)場級PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)、管理層INDUSTRIALETHERNET網(wǎng)絡(luò)、輔助的B/S架構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要任務(wù)旨在開發(fā)一個(gè)集現(xiàn)場多臺(tái)提升機(jī)控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)于一體的、具有便于操作的、安全可靠的和自動(dòng)化程度高的智能集中控制系統(tǒng)。

目前，該系統(tǒng)在金川集團(tuán)有限公司龍首礦、三礦區(qū)，中鋼集團(tuán)富全礦業(yè)有限公司等地已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用。其中，金川集團(tuán)有限公司龍首礦多臺(tái)礦井提升機(jī)集中智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)于2008年獲得甘肅省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

4 結(jié)論

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)作為礦山現(xiàn)場設(shè)備的控制系統(tǒng)，隨著數(shù)字化礦山建設(shè)的發(fā)展，必將實(shí)現(xiàn)無人化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，為礦山的安全、高效生產(chǎn)，提供強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)，為數(shù)字化礦山的建設(shè)提供強(qiáng)大的物理基礎(chǔ)。

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2011－10－11)

馮建民(1966－)，男，甘肅會(huì)寧人，碩士，高級工程師，長期從事礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究及管理工作，1998年獲甘肅省機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，1999年獲甘肅省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)，Emial:Fengjianmin2000@163.com。