礦井提升機(jī)PLC電控及變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究

張 鵬

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 古交 030200）

引言

作為近些年才逐漸發(fā)展成熟的一門自動(dòng)化控制技術(shù)，變頻調(diào)速技術(shù)通過改變控制對(duì)象電源的頻率，實(shí)現(xiàn)了在較大范圍內(nèi)對(duì)交流發(fā)電機(jī)的無級(jí)平緩調(diào)速，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中能夠根據(jù)即時(shí)負(fù)載情況做出及時(shí)的調(diào)整，確保電動(dòng)機(jī)始終以最佳的狀態(tài)運(yùn)行，進(jìn)而使設(shè)備能夠在生產(chǎn)的整個(gè)過程中都保持較高的運(yùn)行效率并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。在礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)研究中，采用變頻器和可編程控制器相結(jié)合的方法，在使用過程中實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速、換向等功能，使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。

1 國(guó)內(nèi)煤礦提升機(jī)使用現(xiàn)狀

我國(guó)煤礦多為1980年～2000年投產(chǎn)的礦井，多數(shù)礦井的主、副井提升設(shè)備為JK系列礦井提升機(jī)，配套使用的均為老式TKD系列電控系統(tǒng)，應(yīng)用纏繞型電機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的多級(jí)投切方式實(shí)現(xiàn)速度的有效調(diào)控，電機(jī)、電控系統(tǒng)、液壓站、保護(hù)裝置等均為非防爆設(shè)備，已不符合現(xiàn)代礦井的安全運(yùn)行要求［1］。

老舊提升機(jī)在使用多年后，大多都存在部分設(shè)備嚴(yán)重老化，減速器、液壓站滲漏嚴(yán)重，電控系統(tǒng)故障率高，檢修維護(hù)量大，且調(diào)速系統(tǒng)存在檔位跳躍性，起動(dòng)及換檔調(diào)速時(shí)電流及驅(qū)動(dòng)裝置沖擊較大，節(jié)電效果差，影響礦井的正常生產(chǎn)。因此，新型PLC電控—變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，既可進(jìn)一步保障提升機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，又可良好地滿足礦井的正常生產(chǎn)及設(shè)備安全要求［2］。

為解決電控系統(tǒng)非防爆設(shè)備、部分設(shè)備嚴(yán)重老化，減速器、液壓站滲漏嚴(yán)重，電控系統(tǒng)故障率高，檢修維護(hù)量大，且調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)及換檔調(diào)速時(shí)電流及驅(qū)動(dòng)裝置沖擊較大，節(jié)電效果差的現(xiàn)狀，采用雙電源供電，防爆PLC集控及變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，更新電機(jī)、減速器、液壓站及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等［3］來改善以上問題。

2 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)：提升機(jī)電控系統(tǒng)采用PLC集控，變頻驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)。電機(jī)采用變頻調(diào)速式強(qiáng)制風(fēng)冷式防爆電機(jī)，可良好地與變頻調(diào)速裝置匹配使用，盤型制動(dòng)系統(tǒng)配置數(shù)字式閘間隙保護(hù)裝置，對(duì)閘間隙的在線數(shù)據(jù)可直觀檢測(cè)［4］。

2.1 控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

控制系統(tǒng)技術(shù)性能。提升機(jī)控制系統(tǒng)主要由兩套可編程序控制器（采用西門子S7－300PLC）和部分硬件電路組成，兩套PLC系統(tǒng)互為備用。它的功能主要是通過PLC1中的功能軟件完成的。機(jī)控系統(tǒng)的提升主要包括下列內(nèi)容：

1）主控系統(tǒng)是由PLC1所構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的保護(hù)功能與控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)檢修、手動(dòng)等運(yùn)行形式的有效控制；實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的閉鎖與邏輯控制；實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度設(shè)定與運(yùn)轉(zhuǎn)控制；實(shí)現(xiàn)提升信息系統(tǒng)的有效控制與閉鎖；實(shí)現(xiàn)提升機(jī)電氣、液壓、機(jī)械等方面保護(hù)、報(bào)警與故障燈功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)超速減速、超速等速、過卷等故障的多層防護(hù)；實(shí)現(xiàn)軸編碼器間的斷線保護(hù)與互相監(jiān)控；形成軟件與硬件的安全電路，實(shí)現(xiàn)兩者間相互閉鎖與冗余；實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中安全閘與工作閘的有效控制；能夠?qū)μ嵘龣C(jī)的運(yùn)行速度與位置進(jìn)行數(shù)字指示與測(cè)量。

2）監(jiān)控系統(tǒng)是由PLC2所構(gòu)成，它對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)所用的軸編碼器采用的是獨(dú)立的一臺(tái)。該系統(tǒng)主要包括以下功能：根據(jù)行程設(shè)定傳動(dòng)系統(tǒng)的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的有效控制；自動(dòng)形成速度—位置的包絡(luò)曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)速度的實(shí)時(shí)監(jiān)控；完成雙線制提升機(jī)所要求的減速、超速、過卷、限速等防護(hù)功能；同主控系統(tǒng)PLC1的輸出速度信號(hào)與位置信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有PLC系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控；形成安全軟件電路，并同其他的電路相互封閉冗余；在PLC1系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠保證對(duì)提升機(jī)的有效控制。

3）可編程序控制器具有完善的保護(hù)功能，對(duì)于超速與全速的防護(hù)、井筒端頭超速減速的防護(hù)、負(fù)荷超壓的防護(hù)、深度顯示器的防護(hù)、閘間隙防護(hù)、松繩防護(hù)、減速防護(hù)等安全防護(hù)措施，以上防護(hù)措施都需要達(dá)到相關(guān)規(guī)范中所規(guī)定的要求［5］。同時(shí)還能完成定點(diǎn)速度監(jiān)視、減速器溫度檢測(cè)、主電機(jī)軸承及定子溫度檢測(cè)、液壓站壓力與溫度檢測(cè)、閘瓦磨損等監(jiān)控與保護(hù)功能，提供無源接點(diǎn)信號(hào)，電控裝置為以上信號(hào)留有電氣接口。

4）操作臺(tái)有液晶顯示器、深度指示器、指示燈與顯示儀表等，能夠即時(shí)地顯示下列數(shù)據(jù)：電機(jī)的電壓、提升的速度、電流、液壓站壓力（需要液壓站提供4～20mA壓力信號(hào)）溫度（需要液壓站提供信號(hào)），減速器的油溫等。顯示屏具有模擬動(dòng)畫的絞車位置顯示［6］。

5）提升機(jī)閘間隙保護(hù)裝置能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和顯示每個(gè)閘的開啟距離，超過規(guī)定時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并斷電停機(jī)。

6）隔爆型工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求選用工業(yè)級(jí)的隔爆黑白攝像機(jī)，配備硬盤錄像機(jī)，能夠存儲(chǔ)不少于30天的視頻信息，并且具有回放功能，顯示器采用19寸防爆監(jiān)視器。

7）監(jiān)控減速器油溫、液壓站溫度、壓力、電機(jī)繞組軸承溫度、主軸承溫度、天輪軸承溫度。將所有傳感器信號(hào)傳至電控系統(tǒng)，并通過顯示屏顯示，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能［7］。

8）提升機(jī)電控裝置與防跑車裝置在提升機(jī)安全回路接入一組無源閉合接點(diǎn)，當(dāng)防跑車裝置發(fā)現(xiàn)問題后，此接點(diǎn)斷開，提升機(jī)電控裝置的安全繼電器釋放，進(jìn)行安全制動(dòng)［8］。

2.2 變頻調(diào)速設(shè)備與裝置的技術(shù)特征

變頻器的輸入電壓，它的電壓波動(dòng)的范圍在－15%～10%之間，定輸入頻率是50Hz；變頻器的輸出：電壓頻率：0～50Hz（連續(xù)可調(diào)）；過載系數(shù)：1.5IN 2min，2IN 1min；控制方式：無速度傳感器矢量控制；調(diào)制方式：PWM調(diào)制；保證在5%～100%的速度范圍內(nèi)，調(diào)速精度不大于0.5%；變頻器內(nèi)部采用德國(guó)進(jìn)口核心部件，采用AFE自換向功能，能夠適用于電機(jī)能量再生工作狀態(tài)；功率因數(shù)的值較高，一般cosΦ的值都在0.95以上；對(duì)電網(wǎng)高頻諧波所產(chǎn)生的污染較小，變頻器形成的的諧波電流在5%以下；變頻器設(shè)置有過載、過流、欠壓、超壓等防護(hù)設(shè)施。

3 系統(tǒng)所達(dá)到的技術(shù)水平

將原用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的提升機(jī)電控系統(tǒng)改造為變頻調(diào)速的PLC電控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單統(tǒng)一，無極調(diào)速，速度曲線平滑，減小機(jī)械沖擊，降低設(shè)備噪音，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，故障顯示等記憶功能，提高設(shè)備運(yùn)行的安全系數(shù)。

4 應(yīng)用的效果及推廣前景

通過對(duì)原絞車機(jī)械及電控系統(tǒng)的更新改造，加裝在線監(jiān)測(cè)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變頻無極調(diào)速，PLC集中控制功能，達(dá)到對(duì)設(shè)備工況監(jiān)控及保護(hù)裝置的在線檢測(cè)動(dòng)作功能。對(duì)礦井大型機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備集中控制有良好的推廣作用。

［1］ 吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］ 郅富標(biāo)，毋虎城.基于PLC控制的礦井提升機(jī)技術(shù)改造［J］.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（7）：21.

［3］ 王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］ 高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［5］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［6］ 李世基.微機(jī)與可編程控制器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［7］ 崔亞軍.可編程控制器原理與程序設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1993.

［8］ 金曉萍，鄧志杰，牛宏俠，等.基于PLC的礦井提升機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)［J］.工礦自動(dòng)化，2008（4）：101－103.