礦業(yè)企業(yè)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計方案的研究

栗中華

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州036024）

引言

礦用提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要承擔(dān)礦井中煤礦、人員、貨物等的提升作用，其設(shè)備的運(yùn)行高效性、快速性及低故障性對整個煤礦的高產(chǎn)值生產(chǎn)起到舉足輕重的作用。目前的礦用提升機(jī)基本都配備了控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制[1]。但由于井下環(huán)境的惡劣性，加上整個提升機(jī)的控制線路相對復(fù)雜，在其實際運(yùn)行過程中，提升機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)工作溫度較高、減速制動不穩(wěn)定、?？课恢貌粶?zhǔn)確等問題，設(shè)備及控制系統(tǒng)的故障率相對較高，維修也較難，控制系統(tǒng)的運(yùn)行不穩(wěn)定，將給煤礦生產(chǎn)及現(xiàn)場作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。隨著當(dāng)前控制技術(shù)水平的不斷提升，為提高提升機(jī)運(yùn)行的綜合性能，有必要對其電控系統(tǒng)進(jìn)行升級設(shè)計。

1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)組成

礦用提升機(jī)作為礦井中的關(guān)鍵設(shè)備，其整體結(jié)構(gòu)基本由制動器、滾筒、減速機(jī)、電機(jī)、潤滑系統(tǒng)、鋼絲繩等部分組成，工作時通過交流市電帶動電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)再將旋轉(zhuǎn)動力傳遞至減速機(jī)，經(jīng)過變大的旋轉(zhuǎn)力矩可有效帶動旋轉(zhuǎn)主軸，主軸與鋼絲繩進(jìn)行連接，最終實現(xiàn)礦井中滾筒的運(yùn)行，實現(xiàn)對井下貨物及人員的輸送任務(wù)[3]。根據(jù)礦用提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中的工作原理及工作方式，可將其分為纏繞式單滾筒和雙滾筒提升機(jī)、塔式及多繩式等類型。提升機(jī)雖結(jié)構(gòu)形式有多種，但其工作原理和組成模塊基本相同。根據(jù)提升機(jī)的功能模塊劃分，又將其分為電源系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、保護(hù)裝置等，其中，電源系統(tǒng)則由高壓和低壓裝置、主變壓器等構(gòu)成，而制動系統(tǒng)則包括了制動器、制動閘及液壓裝置，控制系統(tǒng)包括了繼電器柜、操作臺、傳動柜等[4]，其結(jié)構(gòu)組成框架圖如圖1所示。而各部分功能模塊的實現(xiàn)及運(yùn)行可靠性，均與一套完整的電控系統(tǒng)息息相關(guān)，電控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定及可靠，對保證提升機(jī)的運(yùn)行高效性起到關(guān)鍵作用。根據(jù)國家安全監(jiān)督總局規(guī)定，礦用提升機(jī)在使用過程中必須設(shè)計一套完整的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行速度、過卷、松繩、故障等保護(hù)及控制。為此，后文將以提升機(jī)結(jié)構(gòu)組成為研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)對提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究。

圖1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)組成框架圖

2 提升機(jī)電控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

結(jié)合提升機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對該設(shè)備進(jìn)行了電控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計研究。該電控系統(tǒng)主要由終端檢測分系統(tǒng)、主控分系統(tǒng)、上機(jī)位顯示及控制界面、電氣等組成，其中，終端檢測分系統(tǒng)主要由LM70型溫度傳感器、速度傳感器、電壓傳感器、編碼器等組成，主要負(fù)責(zé)對提升機(jī)中電機(jī)工作溫度、鋼絲繩運(yùn)行速度等信號進(jìn)行檢測，并傳遞至編碼器進(jìn)行電信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，各元?dú)饧饕惭b在設(shè)備的電機(jī)、鋼絲繩及主控單元附近[5]。主控分系統(tǒng)則主要采用了數(shù)據(jù)接收器、ARM微處理器等組成，主要負(fù)責(zé)接收終端輸入的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷和處理，是整個電控系統(tǒng)的核心部分，所選用的ARM微處理器具有高運(yùn)行能力、編程簡單、處理性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，能大大節(jié)約電控系統(tǒng)的運(yùn)行成本。而上位機(jī)顯示及控制界面則主要包括顯示器、服務(wù)器、報警器等，主要對提升機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實時顯示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行變化曲線和數(shù)據(jù)保存等，當(dāng)提升機(jī)出現(xiàn)異常故障時，顯示器也將對故障類型及故障發(fā)生位置進(jìn)行顯示，并發(fā)出聲光報警提示，人員可通過顯示內(nèi)容快速進(jìn)行故障檢查及排除。

3 電控系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 處理器選型設(shè)計

結(jié)合提升電控系統(tǒng)的設(shè)計方案，針對整套控制系統(tǒng)中的處理模塊，選用了市場上成熟的LPC213型微處理。該微處理器采用了64位運(yùn)行系統(tǒng)和三級流水線，具有自身獨(dú)特的16位指令控制策略，可適用于存儲容量較小、數(shù)據(jù)處理速度較慢的產(chǎn)品。內(nèi)部設(shè)計了10路A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，可滿足20位以上的模擬量信號快速輸入及信號轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)的控制模式采用了PWM變頻調(diào)速控制，20個定時器和計數(shù)器，多個工業(yè)級、高速級的串行接口，如RS485、SPI、SSP等，也可通過DICE-RT進(jìn)行執(zhí)行代碼的跟蹤和調(diào)試。由于該型號的微處理器具有價格低、耗能小、性價比高等特點(diǎn)，加上其嵌入式變頻調(diào)速控制模式，目前已在多種煤礦開采設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

3.2 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序是整套電控系統(tǒng)的執(zhí)行程序，其功能包括：電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、IGBT的開關(guān)切換控制、電機(jī)及制動器的正常制動及急?？刂频?，通過該驅(qū)動程序，方可實現(xiàn)提升機(jī)的正常作業(yè)。為此，選用了IR2233驅(qū)動芯片。該芯片憑借自身獨(dú)立的3組高側(cè)和低側(cè)橋臂驅(qū)動電路，能較好地滿足提升機(jī)中三相交流電機(jī)的驅(qū)動控制[6]。因此，利用此驅(qū)動芯片，對整套控制系統(tǒng)的驅(qū)動程序進(jìn)行設(shè)計，其中，所設(shè)計的多個C1/C2/C3電容可為高端的三路供電電源提供自舉電容。PWM控制電路能為逆變器提供SD信號及CLR控制信號，其內(nèi)部的串行接口分別與IR2233驅(qū)動芯片中的19、31、21等管腳進(jìn)行連接，R2為逆變器上的電流檢測電阻，可將電流I信號轉(zhuǎn)換為電壓Vs信號。此電控系統(tǒng)中驅(qū)動程序的原理圖如圖2所示。通過此驅(qū)動程序，實現(xiàn)整個提升機(jī)的運(yùn)行控制，保證其作業(yè)的高效性及安全性，

圖2 驅(qū)動程序電路原理圖

3.3 溫度檢測電路設(shè)計

溫度檢測電路主要是為了對提升機(jī)電機(jī)運(yùn)行過程中的工作溫度進(jìn)行有效檢測，保證電機(jī)的工作溫度控制在正常范圍內(nèi)。因此，選用了市場上成熟的LM70型溫度傳感器。該傳感器的檢測范圍為-50～150℃，能通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將檢測的溫度電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過自帶的高速I2C接口總線，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳遞至微處理器中，同時該傳感器中設(shè)計了8個管腳接頭，包括SDA、SCL、OS、GND等，如圖3所示。在該溫度檢測電路中，其工作電壓采用了DC3.3V，配備了4個LM70溫度傳感器，在電源與傳感器之間設(shè)計了一套10K的上拉電阻R1，通過各管腳接頭，分別與電路中的相關(guān)電氣元件進(jìn)行硬件連接，溫度檢測電路的原理圖如圖4所示。

圖3 LM70溫度傳感器管腳圖

圖4 溫度檢測電路原理圖

4 電控系統(tǒng)應(yīng)用效果評價

為進(jìn)一步驗證礦用提升機(jī)電控系統(tǒng)的綜合性能，以型礦用提升機(jī)為對象，將該控制集成在了該提升機(jī)中，進(jìn)行了為期5個月的應(yīng)用測試。在測試期間，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，能穩(wěn)定實現(xiàn)對提升機(jī)的提升、下降、減速、加速及制動等控制操作，當(dāng)提升機(jī)需要緊急制動時，該控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)，執(zhí)行緊急制動程序，對提升機(jī)進(jìn)行緊急制動操作，同時通過發(fā)出故障報警提示，提升機(jī)運(yùn)行溫度也通過顯示儀器進(jìn)行實時顯示，人員可通過顯示界面對提升機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行全程監(jiān)控，整個控制過程全為自動化操作。該控制系統(tǒng)應(yīng)用期間，提升機(jī)的故障發(fā)生率同比減少了70%，大大降低了人員的勞動強(qiáng)度，提高了設(shè)備的工作效率及運(yùn)行穩(wěn)定性，按一年周期計算，單臺設(shè)備可減少將近50萬元以上的費(fèi)用支出，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)語

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將當(dāng)前成熟的自動化、智能化控制技術(shù)應(yīng)用到礦用提升機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)中，不斷提升設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性及作業(yè)效率，降低設(shè)備故障率和維修成本，成為當(dāng)前提升機(jī)性能提升的重要方向，智能化提升機(jī)的改進(jìn)，也是實現(xiàn)智慧礦山的重要支撐。