礦井提升機電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王建龍

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西 陽城048108）

引言

提升機為煤礦生產(chǎn)的主要運輸設(shè)備，其運輸能力僅次于帶式輸送機。在實際生產(chǎn)中，提升機的提升效率、安全性和節(jié)能性直接影響綜采工作面的生產(chǎn)。傳統(tǒng)提升機電氣系統(tǒng)主要以異步電機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)無法根據(jù)提升機的實際運量對其提升速度進行調(diào)整，導(dǎo)致出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，從而造成了電能的浪費。除此之外，提升機傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)缺乏對設(shè)備的保護功能[1]。因此，本文著重對提升機電氣控制系統(tǒng)進行研究，在實現(xiàn)其節(jié)能效果的同時，達到提升其可靠性的目的。

1 提升機電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文以單繩纏繞式提升機為研究對象，其主要由提升容器、鋼絲繩、電氣設(shè)備、天輪以及裝卸設(shè)備等組成。為實現(xiàn)提升機電氣控制的節(jié)能運行效果和高可靠性，本文擬采用以PLC控制系統(tǒng)為電氣控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對提升機從啟動、加速、運速、減速、爬行至停機整個過程的節(jié)能、高可靠性控制。根據(jù)提升機的生產(chǎn)需求，對應(yīng)其電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 提升機電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，提升機電氣控制系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成[2]。其中，主控制系統(tǒng)主要完成對提升機工作方式和控制方式的確定；輔助控制系統(tǒng)主要完成對可調(diào)閘速度、制動速度閉環(huán)環(huán)節(jié)以及速度測定等環(huán)節(jié)的控制，其為提升機主控制系統(tǒng)的精準執(zhí)行奠定基礎(chǔ)；監(jiān)控系統(tǒng)通過上位機顯示器為用戶提供了實時查看提升機運行速度、加速度、故障類型及位置等參數(shù)的界面，可保證用戶實時獲取提升機的運行狀態(tài)。為保證提升機電氣控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，要求電氣控制系統(tǒng)滿足如下要求：當(dāng)提升機用于升降作業(yè)人員時，其加（減）速度不得大于0.75 m/s2，當(dāng)用于升降物料時，其加（減）速度不得大于1.2 m/s2；可保證提升機在重載條件下啟動，且不會對其他設(shè)備及電網(wǎng)造成沖擊；可實現(xiàn)對提升機的無級調(diào)速功能，保證在不同速度的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換；可實現(xiàn)對提升機重載、超載等工況的保護功能，增設(shè)必要的聯(lián)鎖和保護環(huán)節(jié)。

2 提升機電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 提升機主控系統(tǒng)的設(shè)計

提升機主控制系統(tǒng)的核心為PLC控制器，綜合提升機電氣控制系統(tǒng)的需求和PLC控制器的產(chǎn)品類型，最終所選型PLC控制器為三菱FX2N系列的PLC。

根據(jù)提升機主控制系統(tǒng)的控制需求，其輸入點包括有主備PLC之間的輸入、旋轉(zhuǎn)編碼器信號、操作臺控制信號、外圍設(shè)備開關(guān)量、模擬量信號等信息的輸入。經(jīng)統(tǒng)計可知：對應(yīng)主控系統(tǒng)中外圍設(shè)備開關(guān)量共有69個，模擬量信號量共有8個，旋轉(zhuǎn)編碼器的信號共有4路。PLC輸出點包括有開關(guān)量和模擬信號的輸出，其中開關(guān)量共有32個，模擬信號共有2個。提升機主控系統(tǒng)PLC控制器相關(guān)模塊的選型結(jié)果如下頁表1所示。

提升機主控制系統(tǒng)除了完成對提升機啟動至停機等階段的控制外，還需實現(xiàn)對提升機的保護功能[3-5]。根據(jù)所采集到的各種保護信號將事故的嚴重程度分為重事故信號和輕事故信號，并根據(jù)不同的事故等級完成對提升機不同的保護操作，提升機安全保護系統(tǒng)功能的實現(xiàn)如下頁圖2所示。

表1 PLC控制器相關(guān)模塊選型

圖2 提升機安全保護系統(tǒng)

2.2 提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

變頻調(diào)速系統(tǒng)為實現(xiàn)提升機節(jié)能運行的關(guān)鍵，其能夠?qū)崿F(xiàn)對提升機提升速度的無級調(diào)速，從而解決了傳統(tǒng)提升機調(diào)速系統(tǒng)在重載或者載荷突變工況下進行調(diào)速操作時對綜采工作面系統(tǒng)和工作面電網(wǎng)造成的沖擊，在實現(xiàn)節(jié)能效果的同時，提升系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

變頻器的選型為提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容之一，變頻器選型主要依據(jù)系統(tǒng)電機的額定功率及其在載荷突變工況下的低頻提供高轉(zhuǎn)矩的能力。因此，針對本文提升機的應(yīng)用情況，最終所選型變頻器的具體型號為5HK62-5B；根據(jù)提升機的工作要求，為其設(shè)計對應(yīng)的PLC控制程序，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)在工頻和變頻兩個工況下切換運行，其切換原理如圖3所示。

圖3 工頻與變頻調(diào)速系統(tǒng)切換結(jié)構(gòu)示意圖

3 提升機電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為驗證本文所設(shè)計提升機的電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本文著重對該電氣節(jié)能控制系統(tǒng)對提升機調(diào)速效果和節(jié)能效果進行具體分析。

3.1 平滑調(diào)速功能的驗證

本文對提升機運行一個循環(huán)狀態(tài)對提升容器速度的控制情況進行實時監(jiān)測，得出如圖4所得監(jiān)測結(jié)果。

圖4 變頻調(diào)速系統(tǒng)對提升速度的控制效果

如圖4所示，基于電氣節(jié)能控制系統(tǒng)，提升機系統(tǒng)在前7 m內(nèi)實現(xiàn)對提升容器的初加速階段，并從7～73 m為系統(tǒng)的加速段，待勻速（8.38 m/s）運行443 m后系統(tǒng)開始減速運行。其中，在減速段運行距離約為65 m，待速度減至2.5 m/s后開始爬行，待爬行7 m后系統(tǒng)停機。在整個循環(huán)階段，系統(tǒng)速度的變化趨勢均相對平滑，滿足平滑調(diào)速的要求。

3.2 節(jié)能效果的驗證

將改造后的電氣節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，就目前某煤礦的日常提升運輸任務(wù)而言，在變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制下提升機處于低速運行的時間約占提升機一個循環(huán)提升時間的30%左右；而傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的控制下，在一個提升循環(huán)內(nèi)僅有10%的時間處于低速運行時間。此外，提升機采用電氣節(jié)能控制系統(tǒng)后，在調(diào)速過程中對系統(tǒng)造成的沖擊明顯降低，降低了系統(tǒng)維修的成本，間接地解決了提升運輸?shù)某杀尽?/p>

綜合比較可知：電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可為提升機的實際提升任務(wù)節(jié)能約20%。

4 結(jié)論

1）完成對提升機電氣控制系統(tǒng)中PLC控制器、變頻器的選型，并完成對提升機安全保護系統(tǒng)的設(shè)計；

2）經(jīng)實踐表明，提升機電氣節(jié)能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對提升機從啟動至停機整個運行階段的平滑控制；并且實現(xiàn)提升機的變頻節(jié)能調(diào)速控制后，每年可節(jié)約的電費約為之前控制下電費的20%。