礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的研究

郭建軍

摘 要：礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)作為煤礦的主要生產(chǎn)設(shè)備，關(guān)系到煤礦高效和安全生產(chǎn)，主要要求如下：平滑的調(diào)速性能、高精度、實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、很好的檢測(cè)速度和行程、具備良好的故障監(jiān)測(cè)功能、具備可靠的制動(dòng)控制系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)；控制系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；改造

礦井提升機(jī)調(diào)速的控制系統(tǒng)具有自動(dòng)化的特點(diǎn)，全面控制提升機(jī)調(diào)速，促使其滿足礦井作業(yè)的需求，以免超出礦井提升機(jī)的規(guī)定負(fù)載。礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，需要符合礦井作業(yè)的實(shí)踐需求，一方面體現(xiàn)調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，另一方面改善礦井提升機(jī)的性能，加強(qiáng)提升機(jī)調(diào)速的控制能力。

1 礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)概述

在礦井提升機(jī)有所改進(jìn)之前我國(guó)礦井提升機(jī)一般采用交流傳動(dòng)方式。但是直流傳動(dòng)方式的缺點(diǎn)是對(duì)交流電網(wǎng)的無(wú)功沖擊大，會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)壓降；高次諧波會(huì)引起交流電網(wǎng)電壓正弦波形的畸變，干擾其它用電設(shè)備；運(yùn)行功率因數(shù)低；建設(shè)投資大、基礎(chǔ)費(fèi)用高。

后來(lái)隨著礦井的規(guī)模愈來(lái)愈大，同時(shí)對(duì)提升自動(dòng)化水平的要求也越來(lái)越高，隨著電動(dòng)機(jī)矢量控制思想的提出以及電力半導(dǎo)體技術(shù)和交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，礦井提升機(jī)傳動(dòng)裝置開(kāi)始向交流傳動(dòng)方式發(fā)展。例如繞線電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)，但它存在很大缺點(diǎn)，調(diào)速控制性能差、耗電量大，而且由于其調(diào)速的非連續(xù)性，系統(tǒng)的機(jī)械沖擊及對(duì)電網(wǎng)的沖擊均很大。

現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展將變頻調(diào)速技術(shù)、PLC技術(shù)融入提升機(jī)電控系統(tǒng)，可使提升機(jī)電控結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省大量的交流接觸器、時(shí)間繼電器、中間繼電器及過(guò)電流繼電器，從而大大提高提升機(jī)的可靠性、可控性和安全性；可在提升電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，將電能回饋給電網(wǎng)，有很好的調(diào)速特性，過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)，且速度連續(xù)可調(diào)，機(jī)械沖擊小，并且節(jié)約了電能。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

大功率變頻裝置可以將工頻三相交流電經(jīng)過(guò)交直變換之后經(jīng)過(guò)逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行了逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。

在電路系統(tǒng)中，為了保證正常運(yùn)行安全，必須將設(shè)備可靠的接地，因此，變頻器的接地端也應(yīng)可靠接地。主回路中，用于連接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的端子，用于防止提升機(jī)在垂直方向上運(yùn)行時(shí)，發(fā)生工件在帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而產(chǎn)生很大的再生電動(dòng)勢(shì)，即泵升電壓過(guò)高，損壞變頻器的現(xiàn)象出現(xiàn)。加入外接制動(dòng)電阻或外接制動(dòng)單元可消耗部分能量，提高變頻器的工作能力。根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓或電流輸入成正比。為了便于監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，取出變頻器的異常信號(hào)送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報(bào)警信號(hào)。

由于提升機(jī)是在礦井使用，還需設(shè)計(jì)防爆裝置，在加上防爆外殼后，變頻器產(chǎn)生的熱損耗不能排出會(huì)導(dǎo)致其溫升過(guò)高而影響正常運(yùn)行，變頻器的通風(fēng)系統(tǒng)我的設(shè)計(jì)為水冷系統(tǒng)，帶有雙循環(huán)熱交換器，內(nèi)循環(huán)的水將變頻器功率部件的熱傳導(dǎo)給空氣，空氣經(jīng)由外循環(huán)把熱量排出井外。

提升機(jī)緊急制動(dòng)系統(tǒng)為恒減速緊急制動(dòng)控制，它通過(guò)檢測(cè)制動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際速度值，換算為減速度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)對(duì)減速度的半閉環(huán)控制（即只能控制制動(dòng)過(guò)程中液壓壓力的下降，而不能使之上升）。其基本的控制原理為：設(shè)定一個(gè)“停止起始頻率”，當(dāng)變頻器的工作頻率下降時(shí)，變頻器將輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號(hào)”，使主控系統(tǒng)檢測(cè)到緊急制動(dòng)減速度達(dá)到預(yù)定值，保持此時(shí)的制動(dòng)壓力來(lái)達(dá)到恒減速度的目的。

3 電氣控制系統(tǒng)在提升機(jī)系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 提升行程控制。位置控制是提升機(jī)的控制的本質(zhì)，在工作中的預(yù)定地點(diǎn)要保證提升容器準(zhǔn)確停車，不能出現(xiàn)誤差要求準(zhǔn)確度很高。利用微計(jì)算機(jī)控制結(jié)合傳感器控制信號(hào)。傳感器將接收到的信號(hào)進(jìn)行精確感知，進(jìn)行處理，據(jù)此來(lái)確定出系統(tǒng)的準(zhǔn)確的位置，進(jìn)而施以控制和保護(hù)。

3.2 提升過(guò)程監(jiān)視。安全可靠性是第一位的，所以提升過(guò)程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)，是安全可靠的保障。

3.3 安全回路。作為礦井保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一安全回路環(huán)節(jié)極為重要，準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動(dòng)，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，這樣在安全回路本身故障時(shí)，在提升機(jī)本身故障時(shí)都可以檢測(cè)到來(lái)避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的改造

4.1 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的參數(shù)。該礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)功率為75kW，提供最大的提升速度是2.5m/s，運(yùn)行中的減速比是24∶1，利用轉(zhuǎn)子串電阻進(jìn)行調(diào)速控制。該提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的運(yùn)行較為傳統(tǒng)，以變頻調(diào)速為核心設(shè)計(jì)系統(tǒng)改造。

4.2 系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)改進(jìn)。該礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)圍繞變頻調(diào)速進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)，分析具體的改進(jìn)措施。如：（1）針對(duì)礦井提升機(jī)啟動(dòng)的各個(gè)速度階段，實(shí)行頻率改進(jìn)，結(jié)合變頻調(diào)速裝置，將提升機(jī)速度重新劃分為四個(gè)階段，在提升機(jī)運(yùn)行中提供啟動(dòng)和變化的速度，在變頻調(diào)節(jié)的狀態(tài)下確保提升機(jī)的速度達(dá)到最佳狀態(tài)；（2）規(guī)定提升機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)的頻率是0.2Hz，速度控制的頻率上限是50Hz，利用變頻調(diào)速提供矢量控制，確保該礦井能夠準(zhǔn)確地控制提升機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的速度調(diào)節(jié)，改善調(diào)速控制的環(huán)境。

4.3 PLC控制裝置。PLC電控選擇雙套不同配置的可編程序控制器，主控PLC輸入輸出口留有一定的余量，主要由CPU板、電源板、高速計(jì)數(shù)器、數(shù)字量I/O板、模擬量I/O板、通訊板等硬件組成。輔控PLC可以進(jìn)行電子數(shù)字監(jiān)控，操作臺(tái)上需要從PLC輸入輸出口進(jìn)行接線的，都需要從輔控PLC接線，并與主控PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制。提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng)、緊急制動(dòng)、慢動(dòng)、換層等操作功能都是由主控PLC應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還可以進(jìn)行提升過(guò)程各階段的速度閉環(huán)控制。雙套PLC可以進(jìn)行軟硬件上的聯(lián)鎖，從而有效監(jiān)視PLC實(shí)際運(yùn)行情況，避免由于PLC死機(jī)等原因而出現(xiàn)的各種故障，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全保護(hù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.4 保護(hù)功能設(shè)置。先根據(jù)設(shè)定減速度減速，再緊急停車的故障：通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中停機(jī)、主電機(jī)軸承超過(guò)其能夠承受的熱量接受程度、液壓制動(dòng)系統(tǒng)油量不足或油溫超限、變頻器局部故障、控制電源欠壓、閘盤偏擺及閘瓦磨損等。

在完成某次提升之后不能再次開(kāi)車故障：主電機(jī)溫度過(guò)高、控制柜溫度超過(guò)最高溫限制、信號(hào)電源接地故障、低壓電源漏電等。

緊急制動(dòng)故障：提升容器過(guò)卷、鋼絲繩滑動(dòng)超限、安全制動(dòng)按鈕指令故障、高低壓電源斷電故障、變頻器故障、制動(dòng)系統(tǒng)油壓故障、減速段過(guò)速10%、最大運(yùn)行速度超15%等。

5 結(jié)語(yǔ)

礦井提升機(jī)調(diào)速和控制系統(tǒng)的不斷完善使得礦井的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)效益都有很大的提升，但我們不能滿足于現(xiàn)狀，我們應(yīng)該不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)吸取先進(jìn)理論，融入我們的實(shí)際情況，不斷改進(jìn)完善，更好的促進(jìn)礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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