興峪煤礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

賈劉旭

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)作業(yè)中所需設(shè)備較多，提升機(jī)是井下重要的輔助運(yùn)輸設(shè)備，肩負(fù)著地面和井下的運(yùn)輸任務(wù)（物料、人員、煤炭等）。提升機(jī)的效率和穩(wěn)定性與煤礦安全高效生產(chǎn)密切相關(guān)。興峪煤礦現(xiàn)用提升機(jī)采用遠(yuǎn)距離液控操作方式，在實(shí)際使用中，該調(diào)速方式故障發(fā)生率較高，效率低，影響煤礦安全高效生產(chǎn)。因此，決定對(duì)興峪煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

2 提升機(jī)控制系統(tǒng)改造的必要性

2.1 JKY-2.0/1.8 型提升機(jī)原理

該提升機(jī)主要由機(jī)械、液壓傳動(dòng)、電氣部分等構(gòu)成。利用防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向變量主油泵，主油泵與2 臺(tái)曲線低速大扭矩液壓馬達(dá)組成閉合回路、恒扭矩液壓調(diào)速系統(tǒng)，2 臺(tái)液壓馬達(dá)拖動(dòng)提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。工作人員遠(yuǎn)距離通過操控液壓式比例先導(dǎo)閥手柄位置及主油泵的流量變化，控制提升機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 提升機(jī)在運(yùn)行控制方面存在的問題

（1） 變量主油泵控制液壓馬達(dá)容積式調(diào)速回路操控性不良。

通過變量泵控制液壓馬達(dá)進(jìn)行容積式調(diào)速，可控性差、平層精度低、沖擊大、效率低，屬于開環(huán)控制，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速由系統(tǒng)精度決定，沒有轉(zhuǎn)速反饋。液壓馬達(dá)的效率受油壓、油液粘度、溫度等因素的影響，液壓馬達(dá)輸出動(dòng)態(tài)參數(shù)不易精確控制。提升機(jī)的啟動(dòng)、加速、等速、制動(dòng)等環(huán)節(jié)，依靠工作人員手動(dòng)操作控制，存在一定安全隱患。

（2） 液壓驅(qū)動(dòng)回路和安全制動(dòng)回路協(xié)同性不一致。

提升機(jī)在加速起動(dòng)、減速停車的瞬間，工作人員操作減壓式比例閥向液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出指令。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為泵控馬達(dá)，而制動(dòng)系統(tǒng)為閥控缸系統(tǒng)，前者的響應(yīng)較后者速度慢，導(dǎo)致出現(xiàn)“上坡起動(dòng)負(fù)載瞬時(shí)下滑”、“停車沖擊”的現(xiàn)象，存在安全隱患。

（3） 提升機(jī)采用TKD 電控系統(tǒng)。

該電控系統(tǒng)使用的繼電器、接觸器較多，電路相對(duì)復(fù)雜，且噪聲大。調(diào)速過程中轉(zhuǎn)矩和速度脈動(dòng)大，產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子回路，造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱，耗能高。

（4） 提升機(jī)自動(dòng)化水平不高。

提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要依靠工作人員進(jìn)行操作和監(jiān)控，操作自動(dòng)化水平低、人員乘坐舒適度差。

綜上所述，決定對(duì)興峪煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高提升機(jī)的安全性及自動(dòng)化程度。經(jīng)分析研究，決定從PLC 控制、變頻技術(shù)兩方面對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 整體方案設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

此次設(shè)計(jì)的提升機(jī)控制系統(tǒng)核心為PLC 控制器和變頻器，兩者互相獨(dú)立又相互協(xié)作，共同對(duì)提升機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框架圖Fig.1 Frame diagram of frequency control system

提升機(jī)的牽引力由滾筒提供，滾筒動(dòng)力源由液壓站提供。為防止溜車事件發(fā)生，提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)械抱閘松開前，變頻器給電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)力矩。操作臺(tái)是提升機(jī)的操控核心，可對(duì)提升機(jī)的速度、制動(dòng)力、牽引力等進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整、指令發(fā)送等。傳感器實(shí)時(shí)采集提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)解碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至PLC，PLC 對(duì)所得數(shù)據(jù)分析，在保障提升機(jī)高效運(yùn)行的前提下，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行速度控制。發(fā)生異常，則給液壓站下達(dá)指令，對(duì)滾筒進(jìn)行制動(dòng)，控制提升機(jī)停止。

3.2 運(yùn)行方式

興峪煤礦提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行階段可以分成5 部分，即加速、等速、減速、爬行和制動(dòng)。提升機(jī)開機(jī)運(yùn)行后，首先進(jìn)行加速階段，以一定的加速度加速（根據(jù)運(yùn)輸物的不同，加速度也需進(jìn)行調(diào)整，此次設(shè)計(jì)運(yùn)人時(shí)加速度不超過0.75 m/s2，運(yùn)物時(shí)加速度不超過1.2 m/s2），直至到達(dá)設(shè)定的最大速度；之后進(jìn)入等速階段，提升機(jī)勻速運(yùn)行；臨近終點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)為減速階段，以同樣的加速度進(jìn)行減速；為防止提升機(jī)罐籠突然停止發(fā)生事故，減速到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，提升機(jī)以一個(gè)較低的速度勻速運(yùn)行一段時(shí)間，此為爬行階段；最后到達(dá)終點(diǎn)，提升機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。

4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

提升機(jī)原控制系統(tǒng)采用的TKD 電控模式，使用幾十個(gè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高。以PLC 作為主控元件，配備旋轉(zhuǎn)編碼器及傳感器組成的控制系統(tǒng)，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(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。變頻調(diào)速解決了TKD 控制系統(tǒng)在快速、減速或急停時(shí)的再生發(fā)電能量問題、降低了機(jī)械沖擊力。

以上兩方面，有效的減少轉(zhuǎn)差功率消耗，達(dá)到節(jié)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(fēng)扇設(shè)計(jì)，噪音小、操作簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)；適應(yīng)環(huán)境溫度-25 ℃～60 ℃，可承受較高機(jī)械和生物負(fù)荷及鹽霧場(chǎng)合。因此，結(jié)合興峪煤礦提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)情況，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)選用西門子S7-400 系列PLC 控制器，適用于惡劣環(huán)境，滿足煤礦使用要求，設(shè)備連接如圖2所示。為了構(gòu)成冗余，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，采用2 套PLC 控制器，一主一備，如圖3所示。

圖2 設(shè)備連接Fig.2 Device connection

圖3 PLC系統(tǒng)Fig.3 PLC system

4.1.2 PLC 端口統(tǒng)計(jì)

提升機(jī)對(duì)系統(tǒng)的精度要求不是很高，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)即可。在滿足要求的情況下面，從經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、通訊性能方面進(jìn)行綜合考慮，此次設(shè)計(jì)開關(guān)輸入量需13 個(gè)點(diǎn)、輸出量需12 個(gè)點(diǎn)。見表1、表2。

表1 PLC I/O 輸入點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of PLC I/O input points

表2 PLC I/O 輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Table 2 PLC I/O output point statistics

續(xù)表

4.2 變頻器部分系統(tǒng)

變頻器是控制系統(tǒng)的調(diào)速核心組件，其原理是輸出不同電壓給電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整。此次改進(jìn)設(shè)計(jì)選擇SM150 型變頻器。電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速主電路如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電圖Fig.4 Main electric diagram of motor variable frequency speed regulation system

西門子公司生產(chǎn)的SM150 型變頻器，具有擬超導(dǎo)技術(shù)、矢量控制技術(shù)，對(duì)負(fù)載變化可以迅速響應(yīng)，有力保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)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(shè)備運(yùn)行可靠性，利用傳感器對(duì)提升機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1） 閘瓦屬于制動(dòng)器的易損件，一旦異常將會(huì)造成剎車失效，需對(duì)閘瓦磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此次設(shè)計(jì)選擇LXK3-20S/L 型行程開關(guān)進(jìn)行閘瓦磨損監(jiān)測(cè)，一旦磨損嚴(yán)重程度到達(dá)設(shè)定閾值，即刻報(bào)警。

（2） 鋼絲繩的松緊度與提升機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行密切相關(guān)，選用KBXC-5/127-1 型行程開關(guān)進(jìn)行松繩監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)松繩情況，即刻停止提升機(jī)運(yùn)行。

（3） 在礦井進(jìn)口處安裝DI-SORIC 磁敏開關(guān)，對(duì)提升機(jī)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（4） 提升機(jī)制動(dòng)是第一安全防線，必須可靠，因此選用PTH504 壓力變送器對(duì)制動(dòng)油壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（5） 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整是實(shí)現(xiàn)提升機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵，因此選用E6B2-CWZ5B2000P/R 旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證提升機(jī)正確調(diào)速。

4.4 PLC 程序設(shè)計(jì)

提升機(jī)變頻調(diào)速需要變頻器和PLC 協(xié)作完成，控制主流程如圖6所示。開始時(shí)對(duì)PLC 進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確保系統(tǒng)安全性。檢測(cè)完成后發(fā)出開車信號(hào)，提升機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，按照前述加速、等速、減速、爬行和制動(dòng)5 個(gè)階段開始變頻運(yùn)行。運(yùn)行期間，各傳感器對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并傳送至PLC，出現(xiàn)隱患，發(fā)出報(bào)警，并下達(dá)指令進(jìn)行預(yù)處理。

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

5 結(jié)語

礦用提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)依靠PLC 和變頻器的聯(lián)合協(xié)作實(shí)現(xiàn)，將設(shè)計(jì)的提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在興峪煤礦實(shí)踐應(yīng)用一段時(shí)間后，控制系統(tǒng)可以依照設(shè)定的程序，根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸情況對(duì)提升機(jī)的速度進(jìn)行靈活調(diào)整，各階段過渡平滑，滿足安全高效生產(chǎn)需求。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用后，提升機(jī)能耗明顯下降，降幅約10%；設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，故障率明顯下降，節(jié)約了備件費(fèi)、維護(hù)費(fèi)，同時(shí)延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，為企業(yè)帶來長(zhǎng)遠(yuǎn)效益。