礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用

楊躍鵬

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦開采過程中需要用到大量的機(jī)械裝備，其中提升機(jī)是非常重要的煤礦生產(chǎn)設(shè)備之一，對于保障整個(gè)采煤過程的順利推進(jìn)具有非常關(guān)鍵的作用[1]。隨著企業(yè)節(jié)能減排壓力以及生產(chǎn)成本的不斷增加，如何進(jìn)一步提升礦井提升機(jī)的運(yùn)行效率及服務(wù)安全性是所有煤礦企業(yè)面臨的關(guān)鍵問題[2-3]。針對礦井提升機(jī)開展自動化改造，確保提升機(jī)設(shè)備能夠根據(jù)生產(chǎn)過程實(shí)際狀態(tài)對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，是保障提升機(jī)安全運(yùn)行并提高設(shè)備運(yùn)行效率的重要措施和手段[4-5]。本文在分析某煤礦企業(yè)礦井實(shí)際狀況的基礎(chǔ)上，對其提升機(jī)設(shè)備開展變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 煤礦企業(yè)及提升機(jī)設(shè)備概述

胡底煤業(yè)提升機(jī)系統(tǒng)采用JKMD-2.8×4 ZⅡ型4 繩摩擦落地式絞車、11.8 t 雙罐籠提升容器、直徑為2.8 m 導(dǎo)向天輪、直徑為28 mm 提升鋼絲繩、直徑為42 mm 平衡鋼絲繩，提升高度為498.3 m。主滾筒直徑為2.8 m，采用630 kW 雙直流電機(jī)連接減速比為10.5 的減速器驅(qū)動，設(shè)計(jì)最大提升速度10.5 m/s，實(shí)際最大提升速度6 m/s，最大有效載荷9.5 t，名義有效載荷8 t，最大靜張力差95 kN。提升機(jī)在運(yùn)行過程中的不同階段其運(yùn)行速度存在一定差異，原則上要求對提升機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行精確控制，這是保障設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。以往的速度調(diào)節(jié)方式在實(shí)踐中暴露出來一些問題，主要表現(xiàn)在控制效率不高、能源消耗較大等，不利于煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]?；诖耍髽I(yè)引入變頻調(diào)速控制技術(shù)，針對礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)變頻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)不同運(yùn)行階段運(yùn)行速度的精確控制，提升了設(shè)備的自動化水平，保障了采煤效率，壓縮了生產(chǎn)成本。

2 變頻控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 所示為設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)總體方案。從圖中可以看出，該控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)方式最大的區(qū)別在于增設(shè)了變頻器，變頻器的作用是根據(jù)實(shí)際需要輸出不同的電壓頻率，進(jìn)而對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)編碼器對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果輸入到PLC 控制器中，控制器將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，若兩者之間存在差異，則下達(dá)控制指令對變頻器輸出電壓頻率進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)還設(shè)置有操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)，基于操作臺工作人員可以實(shí)現(xiàn)對變頻控制系統(tǒng)的人為操作與控制，可通過監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)總體方案示意圖

3 系統(tǒng)的硬件選型與軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件選型

變頻控制系統(tǒng)涉及到的硬件類型有很多種，本文主要對最重要的控制器、變頻器以及旋轉(zhuǎn)編碼器的選型進(jìn)行介紹。

1）PLC 控制器的選型。PLC 控制器是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，需要對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析與處理，并下達(dá)控制指令。因此對控制器的性能要求相對較高。在充分考慮煤礦礦井實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，電控系統(tǒng)最終選用2 套西門子的S7-400PLC 型控制器，此外還使用了兩臺6RA80 直流電樞傳動裝置及勵(lì)磁裝置。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明該型號控制器在煤礦工業(yè)實(shí)踐中有很好的應(yīng)用效果?？刂破鞑捎媚K化設(shè)計(jì)，最多可以拓展到32 個(gè)模塊，每個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。因此S7-400 型PLC 控制器完全能夠滿足變頻控制系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。

2）變頻器的選型。變頻器的輸入電壓頻率為恒定值50 Hz，但是可以根據(jù)實(shí)際需要對輸出的電壓頻率進(jìn)行調(diào)整從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器是本次提升機(jī)技術(shù)改造的重點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際情況選用的變頻器型號為SB61G-75。該變頻器內(nèi)部主要由兩個(gè)電路構(gòu)成，分別為主電路和控制電路。在這兩個(gè)電路的綜合作用下可以將外界輸入的50 Hz 交流電壓轉(zhuǎn)變成為想要的電壓與頻率，并給電機(jī)供電。這種速度調(diào)節(jié)方式與傳統(tǒng)的串電阻模式相比較而言控制效率更高，能夠保證電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的平滑切換，在降低電機(jī)能源消耗的同時(shí)提升設(shè)備的使用壽命。

3）旋轉(zhuǎn)編碼器的選型。旋轉(zhuǎn)編碼器的作用是對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測結(jié)果輸入到PLC 控制器中進(jìn)行分析處理，是PLC 控制器輸出指令的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中選用的旋轉(zhuǎn)編碼器型號為BQH12 型，屬于礦用本質(zhì)安全型裝置，可以在甲烷、粉塵環(huán)境下穩(wěn)定工作，保證速度檢測精度。

4）此外，提升機(jī)的閘控系統(tǒng)使用的是ST3-F 型西馬格特寶公司恒減速液壓操作盤式制動器，其由兩套完整的液壓站、一套電控系統(tǒng)組成。信號系統(tǒng)使用的是唐山東潤KTX-15 型雙PLC 控制信號系統(tǒng)。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

圖2 所示為變頻控制系統(tǒng)軟件程序流程圖。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先需要進(jìn)行初始化和自檢工作。初始化的目的是對各單元裝置設(shè)置進(jìn)行歸零處理，自檢的目的是檢測各單元是否能夠正常運(yùn)行。自檢時(shí)如果發(fā)現(xiàn)存在故障問題，則需要對故障進(jìn)行處理后再啟動運(yùn)行。如果一切正常，則系統(tǒng)開始按照設(shè)定的程序運(yùn)行。提升機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中可以將其運(yùn)行速度劃分成為6 個(gè)階段，分別為初加速、主加速、勻速、減速、爬行和制動等階段。不同階段的運(yùn)行速度和加速度均存在一定差異，可以提前在控制系統(tǒng)中設(shè)定不同階段的運(yùn)行速度及其加速度。軟件程序除按照提前設(shè)定的流程進(jìn)行速度控制外，還需要檢測提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的典型故障問題，比如是否存在松繩、過卷和超速等問題。一旦出現(xiàn)上述問題，系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警提示并且下達(dá)指令對變頻器的輸出電壓頻率進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)電機(jī)速度的調(diào)整，以解決上述問題。

4 變頻控制系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)踐應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

圖2 變頻控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

將本文設(shè)計(jì)的提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦實(shí)踐中，并對系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行調(diào)試，要求提升機(jī)的提升深度達(dá)到498.3 m，勻速階段和爬行階段的最大速度分別為10.5 m/s 和0.5 m/s。對提升機(jī)及其變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，在對應(yīng)巷道內(nèi)部設(shè)置深度指示傳感器、PLC 控制柜、變頻器以及配電柜等，在安裝時(shí)不得對現(xiàn)場的正常生產(chǎn)造成影響。在布線時(shí)必須嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接地，同時(shí)要考慮抗干擾因素。經(jīng)過實(shí)踐測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)完全能夠滿足實(shí)際使用需要，可以對提升機(jī)的位置進(jìn)行精確控制，誤差在±30 mm 范圍內(nèi)，此外還能夠?qū)μ嵘龣C(jī)不同階段的運(yùn)行速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，使速度誤差控制在0.5%范圍內(nèi)。

4.2 節(jié)能效果分析

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)應(yīng)用效果良好，因此將其運(yùn)用到煤礦實(shí)踐中開展試運(yùn)行工作。在試運(yùn)行的兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)，對提升機(jī)的提升效率以及電能消耗情況進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與沒有使用變頻控制系統(tǒng)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。結(jié)果表明：未使用變頻控制系統(tǒng)前，提升機(jī)平均每度電可以提升的煤礦重量約為0.318 萬t，使用變頻控制系統(tǒng)后平均每度電可以提升的煤礦重量約為0.394 萬t。對比以上兩個(gè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，通過使用變頻控制系統(tǒng)每度電可以多提升0.076 萬t 的煤礦，節(jié)能效果顯著。另一方面，變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得提升機(jī)在不同階段之間的速度切換更加順滑，對設(shè)備造成的沖擊更小。因此設(shè)備的故障率顯著降低，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的維護(hù)保養(yǎng)成本。

5 結(jié)語

基于調(diào)試和試運(yùn)行結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)在實(shí)踐中取得了相對較好的效果，不僅能夠?qū)μ嵘龣C(jī)的位置和運(yùn)行速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，同時(shí)還可以起到節(jié)能減排的效果，可以為其他礦井提供很好的借鑒。