煤礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蘇 森

(山西省節(jié)能中心有限公司,太原 030045)

煤礦提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)中連接地面與井下的關(guān)鍵設(shè)備,在煤礦的生產(chǎn)設(shè)備、煤料、人員運(yùn)輸以及安全保障方面發(fā)揮著重要作用。煤礦提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與煤礦生產(chǎn)的穩(wěn)定安全息息相關(guān),但在實(shí)際生產(chǎn)過程中,礦井的工作環(huán)境復(fù)雜且提升機(jī)設(shè)備龐大,設(shè)備故障率較高。目前，許多煤礦中依然采用人工啟停的傳統(tǒng)恒頻控制方式,自動(dòng)化水平低、平穩(wěn)性差、可靠性也不足,存在較大的安全隱患[1-2]。為此,本文針對(duì)目前實(shí)際生產(chǎn)中存在的不足,參考相關(guān)資料以及生產(chǎn)規(guī)定,基于礦井提升機(jī)的工作原理及生產(chǎn)流程,結(jié)合變頻調(diào)速控制技術(shù)、總線技術(shù)以及編程知識(shí)，設(shè)計(jì)了一套主要針對(duì)礦井提升機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的平穩(wěn)變頻控制以及狀態(tài)監(jiān)測,大大簡化人工操作,提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化程度,節(jié)約提升機(jī)能耗的同時(shí)保障煤礦企業(yè)生產(chǎn)安全,為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。

1 總體方案介紹

煤礦提升設(shè)備布置在礦井中,工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,礦井常用的纏繞式提升機(jī)其工作過程一般是由電控柜控制電動(dòng)機(jī)啟停,通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)減速箱并使與之相連滾筒旋轉(zhuǎn)纏繞鋼絲繩,由鋼絲繩提升箕斗,同時(shí)利用液壓站完成提升機(jī)運(yùn)行過程中的抱閘[6-8]。提升機(jī)電機(jī)一般采用交流異步電動(dòng)機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f存在一定關(guān)系,具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

其中,p為由電機(jī)確定的極數(shù),s為轉(zhuǎn)差率。

因此,可以利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率,達(dá)到調(diào)整控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。傳統(tǒng)提升機(jī)采用的調(diào)速方式為轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速,該方式為有級(jí)調(diào)速,速度調(diào)整范圍比較有限,調(diào)速精度也不高,而且串聯(lián)電阻運(yùn)行浪費(fèi)了大量的電能,操作過程中司機(jī)的工作量較大,設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重,導(dǎo)致工作環(huán)境更加惡劣[9-10]。此外,提升機(jī)長期服役后,故障率較高,可靠性、穩(wěn)定性都難以保障,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高,且存在安全隱患。本文經(jīng)過綜合考慮,選擇目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的PLC與變頻器搭配的方式完成對(duì)礦井提升機(jī)的變頻調(diào)速控制。系統(tǒng)總體采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即上位機(jī)監(jiān)測層、控制層以及現(xiàn)場應(yīng)用層。可實(shí)現(xiàn)工頻/變頻運(yùn)行,搭配電源的輸入、啟動(dòng)開關(guān)以及電磁閥,保障提升機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型分析

綜合考慮礦井提升機(jī)運(yùn)行實(shí)際情況以及開發(fā)成本要求,經(jīng)過分析比較,選擇西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列中型PLC作為主控制器,該P(yáng)LC采用模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)緊湊,主要由CPU、存儲(chǔ)器、I/O模塊以及電源模塊共同構(gòu)成。其中，CPU選擇315型號(hào),該型號(hào)CPU性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大,能夠滿足提升機(jī)變頻控制使用的要求。變頻器是變頻調(diào)速控制的核心設(shè)備,本文選擇國內(nèi)合康新能公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的HYVERT-YVF型矢量高壓變頻器,該變頻器組成包括控制器、接口板和人機(jī)界面。采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù),工作過程中通過矢量控制系統(tǒng)的解耦, 將給定速度與反饋速度相減得到速度誤差,誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)矩電流，從而保證其優(yōu)異的性能。

2.2 變頻調(diào)速控制模塊

利用PLC結(jié)合變頻器對(duì)原有的工頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行替換,采用“一主一備”供電方式,必要時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)切換。工作過程中,PLC作為主控制器按主程序掃描軸編碼器輸入的信號(hào),計(jì)算提升的速度結(jié)合采集的電壓、電流、溫度、力矩等信號(hào)依據(jù)軟件程序模塊進(jìn)行運(yùn)算處理,輸出相應(yīng)控制信號(hào)給變頻器,變頻器根據(jù)提升距離以及速度對(duì)供電頻率進(jìn)行調(diào)整,從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。PLC的外部接線如圖2所示。

圖2 PLC的接線圖Fig.2 Wiring diagram of PLC

提升機(jī)控制為速度控制,給定速度-時(shí)間函數(shù)v=f(t),經(jīng)過優(yōu)化,速度曲線表現(xiàn)為S形。工作時(shí),提升機(jī)首先進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng),到某一設(shè)定速度時(shí)開始轉(zhuǎn)為勻速。同理,停車過程進(jìn)行減速操作,即將到達(dá)位置時(shí)進(jìn)行制動(dòng),完成提升機(jī)的平穩(wěn)停止。該工作過程實(shí)現(xiàn)了無極變速、啟動(dòng)以及停機(jī)過程，降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少了機(jī)械沖擊以及機(jī)械磨損，更加節(jié)能。為了保障控制精度,還在速度給定電路中增加限制加速度變化率的環(huán)節(jié),使得速度曲線調(diào)整過程中的表現(xiàn)更為平滑,控制性能更加安全穩(wěn)定。

此外,變頻調(diào)速模塊還設(shè)置有預(yù)置力矩、過卷保護(hù)、超速保護(hù)、超溫保護(hù)等緊急制動(dòng)安全保護(hù)回路功能。高壓變頻器采用微型電腦控制,可以通過通信網(wǎng)絡(luò)將電機(jī)以及變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)如轉(zhuǎn)速、溫度、高度、方向等傳送給PLC的通信模塊。在電機(jī)、變頻器發(fā)生故障時(shí),也可以將故障情況直接傳送給PLC,PLC對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷并做出反應(yīng),必要時(shí)執(zhí)行安全回路緊急制動(dòng),并發(fā)出聲光報(bào)警。同時(shí),將運(yùn)行情況傳輸?shù)缴衔粰C(jī),方便工作人員檢查分析,提高提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性,延長設(shè)備使用壽命。

2.3 安全監(jiān)測模塊

煤礦提升機(jī)作為“咽喉設(shè)備”在礦井中運(yùn)行,運(yùn)行環(huán)境惡劣且持續(xù)工作時(shí)間長,所以其故障率高，容易引起安全事故，且后期維修難度較大。鑒于此,本文設(shè)計(jì)了上位機(jī)安全監(jiān)測模塊對(duì)設(shè)備主要部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。該模塊除了接收來自PLC控制信號(hào)、變頻器的電壓、電流等狀態(tài)信息外，還分別利用振動(dòng)、溫度、壓力傳感器等采集提升機(jī)的電動(dòng)機(jī)、減速器，以及滾筒的振動(dòng)量、主軸溫度、液壓油壓力等參數(shù)。PLC通過擴(kuò)展模塊接收來自傳感器的模擬量以及數(shù)字量,對(duì)采集的信息分別進(jìn)行濾波、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)換流程,將信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為反應(yīng)提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況的狀態(tài)參數(shù),結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)不同監(jiān)測位置設(shè)置預(yù)警值,據(jù)此完成對(duì)提升機(jī)工作狀態(tài)的評(píng)估。

2.4 通訊模塊設(shè)計(jì)

煤礦提升機(jī)的變頻控制系統(tǒng)的控制核心包括上位機(jī)與PLC兩部分。上位機(jī)接收來自PLC的狀態(tài)信息以及控制信號(hào)，并通過采集電路接收來自傳感器的監(jiān)測信息。PLC作為主控制器,需要接收輸入數(shù)據(jù)、輸出控制指令以及與上位機(jī)、人機(jī)界面交互通訊,這些都是通過現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。其中,PLC通過通訊模塊完成模擬量以及數(shù)字量的接收以及輸出,采用Profibus-DP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與變頻器以及人機(jī)界面之間的通訊;采用以太網(wǎng)接口及Profinet通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間信息傳輸,并將提升機(jī)工作信息整合到整個(gè)上層以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Communication structure diagram of the system

3 軟件程序設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要包括PLC的程序設(shè)計(jì)、變頻器程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)程序設(shè)計(jì)三部分。PLC程序開發(fā)基于模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行,針對(duì)系統(tǒng)選用的SIMTIC S7-300 PLC選擇西門子PLC普遍應(yīng)用的Step7平臺(tái)進(jìn)行程序的開發(fā)設(shè)計(jì)及通訊組態(tài)。PLC編程利用梯形圖(LAD)語言實(shí)現(xiàn),該語言具有形象直觀的特點(diǎn)，較易被工程人員掌握。程序的開發(fā)內(nèi)容包括主程序、數(shù)字量和模擬量輸入輸出的功能塊，以及具體邏輯控制功能塊子程序。PLC工作過程中按照掃描周期首先掃描主程序,由主程序進(jìn)行排序、調(diào)用、執(zhí)行邏輯控制模塊的子程序,子程序完成具體的啟動(dòng)自檢、信號(hào)輸入輸出、速度調(diào)整控制、距離測算、制動(dòng)、過卷、超速以及錯(cuò)向等安全回路運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警、安全保護(hù)等功能。

變頻器工作程序通過變頻器的用戶調(diào)試面板進(jìn)行設(shè)定,設(shè)定過程需要依據(jù)提升電機(jī)的出廠參數(shù),輸入額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù),同時(shí)設(shè)置S型速度曲線的加速與減速時(shí)長,并調(diào)試到預(yù)期效果。此外,上位機(jī)的人機(jī)界面的組態(tài)在Wincc中完成監(jiān)測界面布置、數(shù)據(jù)接收、處理、運(yùn)算方式、動(dòng)畫動(dòng)態(tài)顯示以及報(bào)警方式的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)首先啟動(dòng)初始化操作并執(zhí)行系統(tǒng)自檢,故障情況下執(zhí)行安全保護(hù)子程序,正常情況下繼續(xù)運(yùn)行。開車警告3 s后提升機(jī)開始按照程序運(yùn)算得到的速度曲線進(jìn)行工作,工作過程中需對(duì)錯(cuò)向、過卷、超速等現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估與預(yù)防。當(dāng)提升機(jī)箕斗到達(dá)指定位置時(shí),提升機(jī)停車,完成提升任務(wù)。PLC主程序的軟件流程圖如圖4所示。

4 應(yīng)用測試

在峁底煤礦副井中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試,結(jié)果表明,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的平穩(wěn)變頻控制,并且實(shí)時(shí)監(jiān)測提升機(jī)的溫度、壓力、振動(dòng)等狀態(tài)參數(shù)。其中,提升機(jī)在正常工作時(shí)(功率260 kW),系統(tǒng)監(jiān)測到的狀態(tài)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過改造后,同等工況下,提升機(jī)電耗較之前減少8%左右,實(shí)現(xiàn)了明顯的節(jié)能降耗效果。

圖4 PLC主程序流程圖Fig.4 Flow chart of PLC main program

表1 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測值Table 1 Monitoring parameters of system status

5 結(jié)語

本文針對(duì)煤礦生產(chǎn)中提升機(jī)現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在的工作效率低、自動(dòng)化水平低以及安全性差的問題,對(duì)煤礦提升機(jī)的變頻調(diào)速控制進(jìn)行了研究。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況,對(duì)礦井提升機(jī)工作原理及運(yùn)行流程進(jìn)行了介紹,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合PLC、總線技術(shù)以及軟件程序,設(shè)計(jì)了一套煤礦提升機(jī)的變頻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制平穩(wěn)、節(jié)能降耗、運(yùn)行安全穩(wěn)定等優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)了在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)提升機(jī)的調(diào)速控制、狀態(tài)監(jiān)測。這一技術(shù)不僅提高了煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化水平,保障生產(chǎn)安全,同時(shí)還減少了工人的工作量,提高了煤礦生產(chǎn)效益。