礦井提升機直流控制系統(tǒng)的研究

馬紅兵

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦運輸區(qū)大巷維護隊，山西 太原 030022）

0 引言

提升機為煤礦生產的主要運輸設備之一，其主要承擔煤炭、矸石、設備以及人員的運輸任務，其可靠性和安全性直接決定其提升效率，而傳統(tǒng)的提升機電控系統(tǒng)存在故障率高、線路老化嚴重、耗電量大、后期維護困難以及設備嚴重老化等問題[1]。因此，為實現(xiàn)礦井提升機電氣控制系統(tǒng)網絡化、智能化、信息化控制，在調研當前國內外提升機電控系統(tǒng)應用現(xiàn)狀的基礎上，擬將直流調速控制系統(tǒng)應用于提升機中。

1 提升機直流調速控制系統(tǒng)的總體設計思路

以官地煤礦的豎井提升機（JKM-2.8×4）為例，該提升機最大提升速度為8.473 m/s，其他關鍵參數(shù)如表1所示。

表1 JKM-2.8×4提升機關鍵參數(shù)

對于礦井提升機電氣控制系統(tǒng)，首先需保證其能夠根據(jù)提升機負載的變化對提升速度和方向進行控制，即滿足四象限運行要求，其次要求其能夠根據(jù)所提升對象采用對應的提升速度，具備平滑調速功能。

結合當前工業(yè)自動化系統(tǒng)的整體結構形式和官地煤礦的具體情況，采用直流電機對提升機進行控制。采用“3+2”的網絡結構作為提升機直流調速控制系統(tǒng)的結構形式，其中，“3”為直流調速控制系統(tǒng)的設備層，包括執(zhí)行層（與提升機相關的現(xiàn)場設備主要以傳感器、執(zhí)行機構為主）、控制層（直流控制系統(tǒng)的核心）、管理層（數(shù)據(jù)監(jiān)測站和服務器等），“2”為直流調速控制系統(tǒng)的網絡層，即實現(xiàn)設備層之間的相互通信，執(zhí)行層與控制層之間的通信網絡為控制網絡，控制層與管理層之間的通信網絡為監(jiān)控網絡[2]。自20世紀80年代中后期以來，國內外對提升機傳動裝置的研究已經取得了初步進展。鑒于礦井提升機的電氣控制對系統(tǒng)的抗干擾能力、控制精度和控制性能要求較高，對比各種調速裝置的優(yōu)劣性，全數(shù)字直流調速裝置具有如下特點[3]：一是具備自主設定參數(shù)的功能；二是可采用數(shù)字量和模擬量兩種數(shù)據(jù)模式進行控制；三是對控制系統(tǒng)電流和電壓可實現(xiàn)高精度檢測；四是具備與其他調速裝置、PLC控制器和上位機通信的能力；五是能夠對提升機的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測，并具備自適應和自學習的功能；六是可通過上位機或者相關調試軟件對相關參數(shù)進行遠距離修改、設定等。

本文將采用全數(shù)字直流調速裝置作為核心，實現(xiàn)對提升機的直流調速控制，具體型號為DCS系列的四象限全數(shù)字直流調速裝置。

由理論分析可知，當提升機處于下放工況時，提升機對應的轉矩最大，配套電機的電流也最大。因此，本節(jié)以提升機額定負載工況為例，對DCS系列四象限全數(shù)字直流調速裝置的容量進行選擇。鑒于篇幅原因，此處僅列出計算結果。經計算，與全數(shù)字直流調速裝置相匹配的整流變壓器的容量為6 320 kVA，其對應全數(shù)字直流調速裝置的具體型號為DCS600，主回路中的電樞整流裝置和勵磁整流裝置的具體選型結果如表2所示。

由于DCS600系列全數(shù)字直流調速裝置具備對所控制設備運行參數(shù)實時監(jiān)測的功能，結合提升機的運行工況，要求直流調速裝置可對提升機的運行方式、不同負載下勵磁和電樞電流值、提升罐籠的位置等參數(shù)進行實時顯示。此外，還需對已停車提升機液壓控制回路中的油壓進行監(jiān)測。

表2 主回路整流裝置選型結果

2 提升機直流調速控制系統(tǒng)的軟硬件設計

2.1 硬件設計

結合前文中所提出的提升機電氣控制系統(tǒng)“3+2”的網絡結構，本方案采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)執(zhí)行層、控制層和管理層的通信，其具體的網絡結構如圖1所示。

圖1 提升機電氣控制系統(tǒng)“3+2”網絡結構示意圖

如圖1所示，上位機通過PROFIBUS現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)與監(jiān)控PLC控制器、信號PLC控制、遠程I/O、觸摸屏以及DCS600系列的四象限全數(shù)字直流調速裝置之間的通信。其中，監(jiān)控PLC控制器是對提升機各運行參數(shù)信號處理的核心，信號PLC控制器是對提升機電機運行參數(shù)監(jiān)控處理的核心，觸摸屏是顯示提升機及電機實時工作參數(shù)的裝置，DCS600系列四象限的全數(shù)字直流調速裝置是實現(xiàn)對提升機速度進行平滑、實時控制的核心[4]。

結合提升機實際控制需求，本方案中所選型PLC控制器為S7-300系列。直流調速控制系統(tǒng)的其余硬件選型如表3所示。

2.2 軟件設計

根據(jù)提升機的實際運行工況，設計如圖2所示的主控制程序。

如圖2所示：系統(tǒng)在運行的初始化階段需對安全回路是否能夠正常運行進行檢查，若回路不正常需對其進一步檢查直至確認為正常后才可發(fā)出開車指令；系統(tǒng)接收到開車指令后結合當前提升機的負載、罐籠的位置等實時參數(shù)計算本次提升任務的距離、速度以及加速或減速的時間段；根據(jù)不同的運輸任務，當罐籠到達加速位置或者減速位置時發(fā)出加速或者減速的指令。期間，當提升機的運行狀態(tài)與實際計算值出現(xiàn)較大偏差時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號并立即停機[5]。

3 結論

1）以DCS600系列四象限直流調速裝置為核心，可實現(xiàn)對提升機速度的控制；

2）配置DCS602-1503-51電樞整流裝置和DCF601-0050-51勵磁整流裝置，可對提升機的運行方式、不同負載下勵磁和電樞電流值、提升罐籠的位置等參數(shù)進行實時顯示；

表3 直流調速控制系統(tǒng)硬件選型

圖2 提升機直流調速控制系統(tǒng)主控制流程圖

3）根據(jù)提升機的控制要求設計的主控制程序，在提升機的運行狀態(tài)與實際計算值出現(xiàn)較大偏差的情況下，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號并立即停機。