某煤礦提升機電控系統(tǒng)改造技術分析

潘一偉

(西山煤電集團有限責任公司 馬蘭礦，山西 太原 030200)

礦井提升機電控系統(tǒng)是保障礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分。傳統(tǒng)的提升機電控系統(tǒng)存在設備老化及自動化程度低等問題，往往不能滿足礦井發(fā)展需求，并可能帶來一定的安全隱患。隨著電器自動化技術的發(fā)展，多數(shù)礦山都應用PLC技術對礦山電控系統(tǒng)進行了升級改造，取得了良好的效果[1-7].某煤礦提升機在使用過程中存在設備老化嚴重，技術落后、效率低等問題，不符合該礦近年來提出的煤炭生產(chǎn)持續(xù)、安全、高效的目標。因此，對該礦提升機電控系統(tǒng)進行技術改造，以提高其運行安全可靠性。

1 現(xiàn)用電控系統(tǒng)存在的問題

該礦原設計產(chǎn)能0.6 Mt/a，現(xiàn)礦井的生產(chǎn)規(guī)模擴大到1.5 Mt/a，部分原有設備難以滿足礦井產(chǎn)能增加的需求，副井提升機便是其中之一。礦井原有礦井提升機型號為Jk-3.5×2.6/30E，電控系統(tǒng)采用TKD控制系統(tǒng)，最大提升速度為4 m/s.提升機使用中主要存在以下問題：

1)原提升機電控系統(tǒng)未能實現(xiàn)全速全載，根據(jù)礦井現(xiàn)產(chǎn)能，要求最大提升速度為6 m/s，原有電動機不能滿足提升要求。

2)原電控系統(tǒng)調(diào)速、控速能力差，礦井提升機低速運行時，負載突然發(fā)生變化，低電壓和低速段的啟動力矩小，難以實現(xiàn)恒減速控制。

3)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)元器件使用多年，老化嚴重，導致設備運行過程中功能元器件損壞率及設備故障率較高。

2 電控系統(tǒng)改造方法

對于電控系統(tǒng)的改造主要從硬件及軟件兩方面著手，針對礦山改造需求，硬件方面主要是電動機、PLC控制系統(tǒng)及變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造，軟件方面主要是上位機監(jiān)控系統(tǒng)的改造。

2.1 電動機選擇

對于電動機的選型主要通過計算分析與校核來實現(xiàn)，包括額定轉(zhuǎn)速計算、電機功率計算及過載能力校核。電動機額定轉(zhuǎn)速計算公式如下：

(1)

式中：

n—實際轉(zhuǎn)速，r/min；

D—滾筒直徑，m；

Vm—最大運行速度，m/s；

i—傳動比。

該礦提升機滾筒直徑3.5 m，最大運行速度6.0 m/s，傳動比20，將相關參數(shù)帶入式(1)，得到額定轉(zhuǎn)速為655 r/min.

電機功率計算公式如下：

(2)

式中：

K—阻力系數(shù)，取1.15；

Q—提升機最大載荷，N，取60×106；

η—減速器傳動效率，取0.95；

ρ—動力系數(shù)，取1.15.

計算得到電機功率為501 kW，考慮到120%的安全系數(shù)，電機功率取601 kW.

最終，通過計算分析，電動機選型為Y700-8/1180交流高壓異步電動機，功率達700 kW，轉(zhuǎn)速達655 r/min.

對于改造后選取的電動機，需進行過載能力校驗，電動機額定輸出功率及過載能力校核計算公式如下：

(3)

(4)

式中：

λ—電動機過載能力，取2.

通過計算分析，改造后的Y700-8/1180交流高壓異步電動機滿足系統(tǒng)提升需求。

2.2 PLC控制系統(tǒng)改造

改造后的電控系統(tǒng)要求控制精度高，操作簡單，維護方便，監(jiān)控、故障自診斷能力強。為此，控制柜選擇西門子的S7-1500型PLC控制柜。

2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)改造

1)變頻器選擇。系統(tǒng)改造后，要求高壓變頻器可以直接輸入高壓，根據(jù)故障程度給出報警或停機處理，能夠確保停車穩(wěn)定無沖擊，延長閘瓦壽命，滿足高效生產(chǎn)要求，加速、減速平滑穩(wěn)定，力矩快速響應；輸出頻率與提升系統(tǒng)共振頻率相同時，可跳躍該頻率，穩(wěn)定運行。變頻器容量計算公式如下：

(5)

式中：

P0—變頻器容量，kW；

Pm—電動機額定功率，kW；

η—電動機效率；

k—電動機過載系數(shù)，取1.05；

cosα—電動機功率系數(shù)。

改造后的電機效率為0.95，功率系數(shù)為0.94，相關參數(shù)帶入式(5)，計算得到變頻器容量為：

為此，選擇CHIC1000-10/10-1000AH型變頻器，容量達1 000 kW.

2)變頻調(diào)速控制方法。

系統(tǒng)調(diào)速方式目前主要有直流與交流調(diào)速兩種，系統(tǒng)改造后由原用的旋轉(zhuǎn)變流機組改為靜止可控整流器結(jié)構，原理見圖1.該結(jié)構利用可控整流器得到可調(diào)直流電壓，具有較好的安全可靠性與較低的能耗。

圖1 靜止可控整流器原理圖

改造后變頻調(diào)速系統(tǒng)采用模糊控制方式，即采用由模糊數(shù)學語言描述的控制規(guī)則來操縱系統(tǒng)工作的控制，控制原理見圖2.這種控制方法可滿足提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要，將產(chǎn)生的誤差及其變化率通過模糊化、規(guī)則庫、模糊推理及解模糊來處理。

2.4 上位監(jiān)控系統(tǒng)改造

改造后的上位監(jiān)控系統(tǒng)編程軟件采用TIA Portal Step7，組態(tài)軟件選用TIA Portal WINCC軟件。主畫面情況見圖3.

圖3 主畫面圖像

主畫面可以實時顯示礦井提升機運行位置、運行速度、電機電流等數(shù)據(jù)。在上位機最下部主菜單中還包含了安全回路、參數(shù)記錄、電源監(jiān)視、故障記錄、報表等子菜單，可以點擊開始查詢各菜單設計的功能。

3 結(jié) 論

針對某礦電控系統(tǒng)改造需要，對電控系統(tǒng)進行技術改造，電動機確定為Y700-8/1180交流高壓異步電動機，主控系統(tǒng)選取西門子S7-1500系列PLC；通過變頻器容量計算，選擇CHIC1000-10/10-1000AH變頻器。同時，完成了變頻調(diào)速與上位監(jiān)控系統(tǒng)的改造，有效解決了礦山提升機電控系統(tǒng)存在的問題。