燕子山煤礦提升機變頻控制系統(tǒng)設計與應用*

趙穎超

(同煤集團燕子山礦，山西 大同 037037)

0 引 言

礦井提升系統(tǒng)廣泛應用于煤炭與金屬礦山等行業(yè)，根據(jù)運輸任務可以分為主井提升系統(tǒng)與副井提升系統(tǒng)，其中主井主要負責煤炭的運輸工作，副井主要負責工作人員、物料、設備上下的運輸任務[1-2]。提升系統(tǒng)作為礦井運輸?shù)闹饕ぞ咧唬涔ぷ餍阅苤苯佑绊懼旱V的生產(chǎn)效益與工人的生命安全[3]。近年來，隨著自動化技術的快速發(fā)展，礦井提升系統(tǒng)的控制技術不斷更新?lián)Q代，其中變頻調(diào)速技術結合了現(xiàn)代控制技術、互聯(lián)網(wǎng)技術等，已經(jīng)成為礦井提升系統(tǒng)的主要控制技術之一[4-5]。

筆者針對大同燕子山煤礦副井提升機設計一種變頻控制系統(tǒng)。燕子山礦井地質(zhì)結構較為復雜，煤炭儲量豐富，燕子山礦提升系統(tǒng)目前包括一個主井與兩個副井系統(tǒng)，其中主井采用斜井結構，兩個副井分別采用立井與斜井結構。主井的提升容器為皮帶，負責礦井煤炭的提升，副立井提升容器為罐籠，負責工作人員的運輸，副斜井為斜井，負責材料的運輸工作。目前礦井提升系統(tǒng)存在集成度低、節(jié)能效果差、噪音大等問題，需要開展提升機系統(tǒng)控制技術分析研究，重點提高系統(tǒng)的自動化與節(jié)能化程度。

1 煤礦副井提升機技術特征介紹

燕子山煤礦副井提升機的技術特征如表1所列。文中以提升機型號、提升容量與最大提升速度為參考依據(jù)，通過實際的負載數(shù)據(jù)，對控制系統(tǒng)的硬件設備與控制參數(shù)等進行選型設計。

表1 燕子山煤礦副井提升機技術特征

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)整體方案設計分析

燕子山煤礦兩個副井采用獨立電控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機、操作臺、PLC控制器、信號采集模塊、變頻器等組成，其整體結構如圖1所示。信號采集模塊包括提升機深度信號、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速信號與液壓信號的采集功能，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絇LC控制器，PLC控制器根據(jù)反饋信息，以變頻調(diào)速的方式控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)提升機的調(diào)速控制功能。工作人員通過操作臺觸摸屏或上位機實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設定與數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

圖1 控制系統(tǒng)整體方案結構圖

系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：控制系統(tǒng)可實現(xiàn)提升機的自動控制、半自動控制、手動控制功能，并自由切換；可設置變頻器完成提升機的無級調(diào)速；具有完整保護功能，可及時緊急停車；用戶可離線編譯系統(tǒng)程序；上位機直接連接管理系統(tǒng)，實時反饋提升機的運行狀況；通過各信號傳感器實時采集并顯示各工作參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)故障并準確定位。

目前，應用于煤礦提升機的電機調(diào)速方式主要有：晶閘管調(diào)速、轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速與變頻調(diào)速。其中晶閘管調(diào)速成本低，但快速性較差，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速無法實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，并且功率損耗較大，所以這兩種調(diào)速方式均不適用于燕子山煤礦提升機。文中選用交流電機的變頻調(diào)速方案，利用整流電路與逆變電路分別將頻率不可調(diào)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。系統(tǒng)通過控制半導體元件的開關，實現(xiàn)電壓幅值與頻率的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速[6]。變頻調(diào)速控制方式的調(diào)速范圍寬、節(jié)能效果好，可實現(xiàn)電機的無極調(diào)速，因此，廣泛應用于煤礦的提升機系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)主要硬件設備選型

此次選用S7-300PLC控制器作為系統(tǒng)控制核心，主要由CPU處理器模塊、電源供電模塊、通信模塊、信號輸入輸出模塊等組成。其中信號輸入輸出模塊包括數(shù)字量輸入輸出模塊SM321與SM322，模擬量輸入輸出模塊SM331與SM332。電源供電模塊選用PS307芯片，輸入電壓為交流120～230 V，輸出電壓為直流24 V，電流為5 A。CPU選用CPU314-2DP，為一款緊湊型處理器，具備48 kB內(nèi)存程序容量，處理器內(nèi)部配置有通信模塊，可滿足PLC控制器與上位機之間信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

根據(jù)兩個副井工作情況的不同，選用不同的變頻器，其中副立井選用GBP-H型高壓變頻器，副斜井選用CHIC1000系列高壓變頻器。GBP-H型變頻器工作溫度0°～40°，相對濕度<90%，觸摸屏為中文操作界面，主電路與控制器之間采用光纖連接，抗干擾性強。CHIC1000變頻器為四象限高壓變頻器，工作溫度-10°～40°，采用一體化設計，具有友好的人機交互界面與超長的使用壽命[7]。

系統(tǒng)的信號采集模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換器、放大濾波電路與各類型傳感器組成。電機的轉(zhuǎn)速信號與提升機的深度信號都由編碼器測量，具體為歐姆龍增量旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器安裝于電機輸出軸，用于測量電機的轉(zhuǎn)速信號，編碼器安裝于減速器輸出軸，用于測量計算提升機罐籠所處深度[8]。

3 控制系統(tǒng)流程設計及工作原理

系統(tǒng)控制程序采用西門子公司配套軟件STEP7V5.5編譯，編程語言包括梯形圖、STL、FBD等，程序采用模塊化設計，其主程序的控制流程圖如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)速控制程序流程圖

系統(tǒng)初始化后進行自檢，當確定無故障后，首先確定提升機的發(fā)車方向并啟動變頻器，開啟制動泵，通過信號采集模塊測量提升機的運行參數(shù)，實現(xiàn)變頻自動控制與故障監(jiān)測，當?shù)竭_終點后，盤型閘抱閘，提升機制動。在提升機運行過程中，工作人員通過操作臺或上位機的人機交互模塊可實現(xiàn)變頻參數(shù)的設定，切換變頻器的自動控制或手動控制方式。當系統(tǒng)監(jiān)測到提升機故障時，通過報警指示燈與顯示器向技術人員發(fā)出警報，對故障類型進行精確定位，并及時將提升機升到井上，派遣檢修人員及時維修。

4 系統(tǒng)應用效果

提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應用效果如表2所列。

表2 提升機控制系統(tǒng)應用效果

控制系統(tǒng)此應用后提升機的循環(huán)時間為138s，相較于舊系統(tǒng)的循環(huán)時間減少了2s，并且消除了設備受到的無功沖擊與載荷沖擊等，每年節(jié)省的維護費用、職工加班費用、提升機電能消耗費用等，總計80萬元左右，并有效提高了提升機的自動化與信息化水平，方便了技術人員的遠程管理與監(jiān)測。

5 結 語

針對燕子山煤礦，提出了一種基于PLC的提升機變頻調(diào)速方案，重點對系統(tǒng)的控制結構、硬件設備與軟件工作原理進行了分析設計，通過對系統(tǒng)的應用效果進行分析，證明控制系統(tǒng)有效減少了提升機的循環(huán)時間，整合了提升系統(tǒng)的控制功能與故障監(jiān)測功能，方便了技術人員的參數(shù)設定與系統(tǒng)調(diào)試，有效提高了提升機運行的可靠性與安全性，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。