電氣自動化控制技術(shù)在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用

張虎

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司 湖北省鐘祥市 431911）

1 電氣自動化控制技術(shù)在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用重要性

近年來，電氣自動化控制技術(shù)在礦山生產(chǎn)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，極大的提升了礦山的生產(chǎn)規(guī)模和效率，為礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升提供了可靠的技術(shù)支持。其中，斜井絞車提升是自動化控制技術(shù)在礦山生產(chǎn)應(yīng)用中的典型技術(shù)成果代表，該技術(shù)采用交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過繼電器接觸器來實現(xiàn)對電阻投切的穩(wěn)定控制。

該技術(shù)類型的控制系統(tǒng)可以每日保持超過20小時的調(diào)速狀態(tài)，能夠頻繁的完成接觸器動作，這樣提升機交流接觸器的主觸頭就會容易加速氧化過程，從而頻繁出現(xiàn)損壞；當(dāng)提升機處于爬行狀態(tài)下，其需要低速電動控制才能正常運行，這時電動機的轉(zhuǎn)子電路的電阻數(shù)量就會明顯增多，從而讓其保持非常柔軟的機械特性；提升機在工作狀態(tài)下表現(xiàn)出的情況非常復(fù)雜，其負(fù)載性能時大時小，運行速度時快時慢，因此需要采用多次通電或投切電阻的方式來對其的提升速度進(jìn)行穩(wěn)定有效的控制，但是這反而加劇了提升速度的不穩(wěn)定現(xiàn)象，操作控制難度較大。串電阻調(diào)速屬于有級調(diào)速，平滑性、靜差率等都不符合要求，在啟動和變速過程中會產(chǎn)生較大的電流沖擊，而在中高速狀態(tài)下則會產(chǎn)生強烈的震動，從而使的運行安全得不到有效保證。由于在低速運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子電阻數(shù)量的明顯增多，從而造成了巨大的能量消耗，控制保護(hù)回路裝置采用簡單的繼電器設(shè)計，需要頻繁的接線，從而導(dǎo)致設(shè)備的運行的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生損壞，并且這種調(diào)速方法設(shè)計有著較高的經(jīng)濟(jì)成本。

而基于自動化控制技術(shù)下的變頻調(diào)速系統(tǒng)可以有效的解決上述的問題和不足，主要具備以下優(yōu)點：

（1）故障診斷性能先進(jìn)高效，操作維護(hù)便捷；

（2）運行更加穩(wěn)定可靠；

（3）調(diào)速平滑性優(yōu)越，運行效率更高；

（4）啟動電流低，不會對系統(tǒng)和電網(wǎng)造成較大的影響，并且用電量較??；

（5）自動化控制效果非常非常理想，在斜井提升機的應(yīng)用中非常重要的組成部分。

2 PLC控制變頻器斜井提升機在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用路徑

2.1 設(shè)備名稱

本文所介紹的PLC控制變頻器設(shè)備主要包括兩種類型，設(shè)備名稱分別為：主斜井提升機和副斜井提升機，該兩款設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)備位號分別為R83022和R85007，型號分別為：2JK-3.5×1.7/20和JK-2×1.5/20。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 主斜井提升機技術(shù)參數(shù)

該設(shè)備可以達(dá)到310日/年，5.5×3小時/日的工作標(biāo)準(zhǔn)，一般安裝在室內(nèi)的地上位置。該設(shè)備的卷筒直徑為3500，卷筒寬度為1700mm，減速器傳動比為20，鋼絲繩最大靜張力為170kN，最大靜張力差為115kN，最大提升速度為6.84 m/s，調(diào)速控制系統(tǒng)采用交流變頻設(shè)計，鋼絲繩層數(shù)為1層，配備的電機型號為變頻電機YPT560-8，電機功率和轉(zhuǎn)速分別為630 kW和r/min738，采用6kV的電壓設(shè)計，防護(hù)等級為IP54，絕緣等級為F，最大提升高度為315m，最多同時提升2個水平，提升機采用的鋼絲繩直徑為43mm，天輪采用固定式設(shè)計，該裝置的繩槽底圓直徑為?3500mm，可以一次性滿足2個供貨數(shù)量，液壓采用具有電器延時二級制動液壓油站，潤滑站的型號為XYZ-100，深度指示器為TXP4.0，提升機卷筒結(jié)構(gòu)形式采用帶PVC樹脂襯墊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減速器規(guī)格型號為ZZL1000，電控方式為交流電控，高壓變頻回饋制動。另外，該設(shè)備還要具備礦用安全標(biāo)志。

2.2.2 副斜井提升機技術(shù)參數(shù)

該設(shè)備的全稱為單繩纏繞式礦井提升機，可以滿足310日/年，5.5×3小時/日的生產(chǎn)運行需求，主要在室內(nèi)的地面位置進(jìn)行安裝。該設(shè)備的卷筒直徑和寬度分別為2000mm和1500mm，減速器傳動比為20，鋼絲繩最大靜張力和最大靜張力差均為60kN，最大提升速度為3.87m/s，調(diào)速控制系統(tǒng)采用交流變頻設(shè)計，鋼絲繩層數(shù)為1層，配用電機型號為變頻電機YPT450-8，電機功率為250kW，電機轉(zhuǎn)速為733 r/min，電壓為380V，防護(hù)等級為IP54，絕緣等級為F，最大提升高度為229m，最多同時提升3個水平，提升機用鋼絲繩直徑為33mm，天輪采用固定式設(shè)計，液壓站為具有電器延時二級制動液壓油站，潤滑站的參數(shù)為XYZ-63，深度指示器則是由商家按標(biāo)準(zhǔn)配置，附帶牌坊式；提升機卷筒采用帶PVC樹脂襯墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減速器規(guī)格型號為ZZL710，電控方式為交流電控，帶動力制動，該設(shè)備須具有礦用安全標(biāo)志。

2.3 電控設(shè)計

2.3.1 2JK-3.5×1.7/20型號

2.3.1.1 設(shè)計依據(jù)

（1）主電機部分的運行相關(guān)數(shù)據(jù)。配備交流變頻電動機為630KW，6KV；

（2）電控運行條件和電網(wǎng)條件：最高溫度應(yīng)當(dāng)達(dá)到≥50℃的標(biāo)準(zhǔn)，最低溫度應(yīng)當(dāng)達(dá)到＜10℃的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）設(shè)備供應(yīng)商提供兩路交流6kV高壓主電源供電回路至提升機高壓進(jìn)線柜，一路來保障設(shè)備的正常運行，一路則備用。

（4）低壓電源為380/220V，采用雙回路進(jìn)線設(shè)計，一路用于保障正常運行，另一路則備用。

2.3.1.2 提升任務(wù)與要求

該型號設(shè)備的傳統(tǒng)裝置能夠在各種提升系統(tǒng)的各種工作場景下得到正常的運行，依據(jù)預(yù)先設(shè)計的速度圖和提升要求來對確保提升機的啟動運行，從而根據(jù)生產(chǎn)需要來完成加速、等速、減速爬行、停車、制動和換向等功能的操控。

2.3.1.3 PLC控制系統(tǒng)

第一，全數(shù)字控制系統(tǒng)。該類型系統(tǒng)采用雙PLC系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)“雙線制”控制保護(hù)效果。諸如安全電路，減速回路等關(guān)鍵電路部分采用軟硬件冗余設(shè)計和多樣化設(shè)計。如果在具體操控過程中出現(xiàn)等速超速，減速超速、過卷等故障，可以通過軟硬件冗余設(shè)計來對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行二重或三重保護(hù)。第二，主要技術(shù)參數(shù)。在主控PLC操作系統(tǒng)中，安裝配備了配置不同的SIEMENS公司的S7-300系列可編程序控制器，能夠?qū)μ嵘龣C的運行中的關(guān)鍵信號部分進(jìn)行二重或三重保護(hù)，并且各個功能的控制也已實現(xiàn)相互的監(jiān)視。主控PLC操作系統(tǒng)能夠根據(jù)具體的生產(chǎn)作業(yè)情況來自由靈活的完成提升機手動、半自動、自動、檢修及故障開車等各種控制功能。監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機，可以完成對多個畫面的實時監(jiān)控，可以實時的掌握系統(tǒng)設(shè)備的運行狀況，如果系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障，將能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并報警；監(jiān)控系統(tǒng)能夠在WINDOWS操作系統(tǒng)的應(yīng)用下進(jìn)行編程，相關(guān)信息可以在工控機上實現(xiàn)全漢化顯示。整個電控系統(tǒng)的操作功能非常人性化，考慮到了多個安裝場景，從而為后期的操作維護(hù)提供了充分便利。第五，設(shè)計配備了軟硬件抗干擾措施，防止系統(tǒng)受到外部電磁、供電電源等因素的干擾，確保對電網(wǎng)電壓波形的影響達(dá)到GB/T14549的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 JK-2×1.5/20型

2.3.2.1 設(shè)計依據(jù)

（1）主電機數(shù)據(jù)。采用交流變頻電動機功率為250 KW，380V；

（2）電控工作條件和電網(wǎng)條件。最高溫度應(yīng)當(dāng)達(dá)到≥50℃的標(biāo)準(zhǔn)，最低溫度應(yīng)當(dāng)達(dá)到＜10℃的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）供應(yīng)商負(fù)責(zé)提供兩路交流380 V主電源供電回路至提升機進(jìn)線柜，一路來保障設(shè)備的正常運行，一路做備用。兩路進(jìn)線處于獨立封閉狀態(tài)，供電系統(tǒng)為中性點接地系統(tǒng)。

（4）提升任務(wù)和要求。該型號設(shè)備的傳統(tǒng)裝置能夠滿足各種環(huán)境下的運行要求，并依照前期設(shè)計實現(xiàn)啟動、運行、加速、減速、爬坡、停車、制動、換向等要求，打動更好的操控感受。

2.3.2.2 技術(shù)特點

基于電氣自動化控制技術(shù)的提升機系統(tǒng)主要包括兩套PLC和部分硬件電路等結(jié)構(gòu)組件。該系統(tǒng)采用三條安全電路設(shè)計和軟硬件冗余設(shè)計，極大的提升了提升機的安全性和可靠性。該類型操作系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)分布如下：

（1）提升機控制系統(tǒng)。該部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由PLC構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)提升機各項控制功能的發(fā)揮以及運行安全保護(hù)；能夠?qū)崿F(xiàn)手動、全自動、檢修、慢車、緊急停車等要求，并達(dá)到功能的操控和使用；對提升機的操作邏輯進(jìn)行控制和閉鎖；對傳動系統(tǒng)的運行速度進(jìn)行控制與給定；優(yōu)化信號系統(tǒng)的控制；對提升機機械、液壓、潤滑等類型故障的檢測、監(jiān)控與報警等；實現(xiàn)編碼器之間的相互監(jiān)控和斷線保護(hù)；讓硬件、軟件安全電路之間形成冗余，進(jìn)而形成相互閉鎖狀態(tài)；對提升機制動系統(tǒng)的工作閘和安全閘進(jìn)行穩(wěn)定控制；測量和顯示提升機的位置、運行速度等指標(biāo)信息；根據(jù)故障類型，來實現(xiàn)對安全制動故障、先電制動后安全制動故障等有效處理，有效防范安全事故的發(fā)生；具備短路、過負(fù)荷、漏電、過壓、欠壓、接地等電氣保護(hù)功能。

（2）操作和安全保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Siemens公司之S7-300系列中兩套不同配置的編程控制器和兩套PLC，兩者互為CPU冗余控制。在主控和輔控操作系統(tǒng)之間可以相互通訊和監(jiān)視，對提升機運行的關(guān)鍵信號采用二重和三重保護(hù)設(shè)計，可以有效的防止減速、過卷等故障的發(fā)生，PLC保證有20%的I/O備用接口。另外，PLC操作控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)提升機手動、自動、半自動、檢修及緊急控制等各種功能的操作與控制。當(dāng)提升機處于手動操控狀態(tài)時，0.1～3.7m/s司機依照信號系統(tǒng)的指示和要求，通過速度給定器件進(jìn)行提升機操控，讓其能夠依照預(yù)期進(jìn)行速度運行、自動準(zhǔn)確停車、制動減速等，這些功能的操作處理會受到行程控制器的限制。當(dāng)提升機處于全自動操控狀態(tài)時，在正常的自動運行邏輯下，司機不需要進(jìn)行任何操作，只需要對運行狀況進(jìn)行跟蹤監(jiān)視?？刂葡到y(tǒng)會根據(jù)實際情況來自動完成一個提升循環(huán)，并具有安全聯(lián)鎖。司機只能夠完成緊急停車等操作。當(dāng)提升機處于半制動運行狀態(tài)時，在運行邏輯正常的情況下，司機可以根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的卸裝信號來啟動設(shè)備，實現(xiàn)提升機的提升循環(huán)，并安全聯(lián)鎖。而系統(tǒng)設(shè)備則會自動選擇和控制方向，并控制運行速度、自動加減速等功能。在提升機處于檢修狀態(tài)時，檢修速度則為0.1～0.5m/s，該狀態(tài)下，設(shè)備不具備自動化控制功能。當(dāng)提升機處于應(yīng)急操作運行狀態(tài)時，如果控制或監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)一定的故障，那么提升系統(tǒng)可以通過手動應(yīng)急操控的方式來完成本次提升，該方式只需要安裝配備傳統(tǒng)系統(tǒng)便可以實現(xiàn)。另外，發(fā)生緊急情況，司機可以通過急停按鈕或腳踏開關(guān)完成緊急情況的應(yīng)對操作。

3 結(jié)束語

綜上所述，在基于電子自動化控制技術(shù)下設(shè)計生產(chǎn)的提升機，極大的提升了礦山企業(yè)作業(yè)效率，在保障安全生產(chǎn)方面也發(fā)揮著諸多有益的作用。本文，筆者主要以PLC控制變頻器斜井提升機為例，對其在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用路徑和應(yīng)用操作原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述說明，并結(jié)合實踐操作探索PLC控制變頻器斜井提升機的應(yīng)用更好路徑。相信未來隨著人們對該技術(shù)的深入研究和分析，PLC控制變頻器斜井提升機的應(yīng)用范圍將會越來越廣，所帶來的應(yīng)用效益也將會越來越高。