礦井提升機(jī)高壓變頻節(jié)能電氣控制系統(tǒng)

張 偉

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤礦提升機(jī)是礦山開(kāi)采的重要設(shè)備之一，而電控系統(tǒng)是提升機(jī)的核心部分，電控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行對(duì)礦井的工作效率和安全生產(chǎn)起著決定性作用[1-5]。借助晉安辦發(fā)〔2018〕110 號(hào)文件，要求淘汰串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)的契機(jī)，某煤礦在西上莊煤礦項(xiàng)目主立井鑿井施工中，采用了由洛陽(yáng)源創(chuàng)公司生產(chǎn)的JKD/GBP-NT 型高壓變頻器，大大提高了提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，工作效率明顯提升，節(jié)能效果顯著。本文從提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)方向著手，旨在解決上述實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中所面臨的實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的節(jié)能生產(chǎn)。

1 鑿井施工中提升系統(tǒng)改造目的

某煤礦在西上莊煤礦項(xiàng)目回風(fēng)井鑿井施工中，安裝使用2JK-4×2.1 型礦用提升機(jī)，最大提升負(fù)荷160 kN，提升速度5.2 m/s，電機(jī)功率1 000 kW。為了改善鑿井施工中提升系統(tǒng)的安全性，將原使用的串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)改造為高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，該方式可大大簡(jiǎn)化工作程序，節(jié)約能源，顯著提升工作效率[6-9]。

2 提升機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能要求

礦井提升機(jī)高壓變頻電控系統(tǒng)有兩個(gè)子系統(tǒng)，分別為PLC 控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 PLC 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)需用雙PLC 網(wǎng)絡(luò)化控制，主控PLC 完成提升機(jī)的啟動(dòng)—加速—等速—減速—爬行—停車(chē)的整個(gè)過(guò)程控制及各項(xiàng)保護(hù)功能，輔控PLC 協(xié)助主控PLC 完成過(guò)程控制并具有獨(dú)立的必要保護(hù)功能。主控、輔控PLC 間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信相互交換數(shù)據(jù)并互相監(jiān)視實(shí)現(xiàn)雙線制控制，控制系統(tǒng)應(yīng)具備應(yīng)急開(kāi)車(chē)功能，當(dāng)PLC 發(fā)生故障時(shí)，能夠低速運(yùn)行，這對(duì)施工企業(yè)有人員提升系統(tǒng)的尤為重要。雙PLC 控制系統(tǒng)的主要特征如下：

1）選用兩套PLC 互為CPU 冗余控制，主、輔PLC之間相互通信及監(jiān)視，操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)雙線控制方式，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵的信號(hào)（如速度、容器位置、安全、減速、過(guò)卷等）均采用雙線制或多線制保護(hù)，互為監(jiān)視。

2）具有三條安全保護(hù)回路，其中軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條。多條安全保護(hù)回路之間互相冗余，保證礦井提升機(jī)的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。輕重故障具有聲光報(bào)警或預(yù)報(bào)警。

3）PLC 故障應(yīng)急開(kāi)車(chē)的情況下，硬件安全回路起作用。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)形式，上位計(jì)算機(jī)與PLC網(wǎng)絡(luò)通信，在調(diào)試期間可作為PLC 的編程器，在設(shè)備正常運(yùn)行期間起到監(jiān)控的作用，提供實(shí)時(shí)顯示、記錄、報(bào)表等，配有WinCC 軟件平臺(tái)、全漢字界面。監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：提升機(jī)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)畫(huà)面生成；具有對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)發(fā)生的輕重故障進(jìn)行診斷和保存，實(shí)現(xiàn)綜合后備保護(hù)功能；能顯示故障發(fā)生的位置、時(shí)間、原因以及故障前的有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)深度、速度實(shí)時(shí)值，提升種類(lèi)，信號(hào)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并記錄，相當(dāng)于飛機(jī)上的“黑匣子”。

3 提升機(jī)高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

西上莊煤礦項(xiàng)目主立井鑿井施工礦用提升機(jī)電控系統(tǒng)，選用洛陽(yáng)源創(chuàng)電氣有限公司生產(chǎn)的JKD-NT-GBP-FVA-1600kW/10（6）-6kV-200A 型網(wǎng)絡(luò)化提升機(jī)成套電控系統(tǒng)。洛陽(yáng)源創(chuàng)電氣有限公司是國(guó)內(nèi)高壓變頻器較優(yōu)秀的廠家之一，技術(shù)先進(jìn)、抗干擾能力強(qiáng)，變頻器控制電路板、功率單元等核心部件廠家均可自行生產(chǎn)，產(chǎn)品性?xún)r(jià)比較高，符合某煤礦實(shí)際使用要求。

該設(shè)備專(zhuān)有技術(shù)特點(diǎn)是零速電氣安全制動(dòng)，其可在液壓制動(dòng)系統(tǒng)失靈的情況下，靠零速電氣安全制動(dòng)，能夠避免高速過(guò)卷事故。

3.1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主系統(tǒng)部分

高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是通過(guò)PLC 編程控制和高壓變頻器二者結(jié)合組成的。在該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，輸入6/10 kV 的高壓交流電，通過(guò)移相變壓器將高壓電源轉(zhuǎn)換成15 組600 V 低壓電源，給高壓變頻器功率單元供電，并通過(guò)IGBT 驅(qū)動(dòng)板控制功率單元使頻率轉(zhuǎn)換后輸出符合要求的電壓、電流。電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)輸出頻率隨時(shí)調(diào)整，這種功能通過(guò)PLC 的計(jì)算機(jī)編程和高壓變頻器的相互結(jié)合來(lái)共同實(shí)現(xiàn)，提升煤礦提升機(jī)整體速度的調(diào)控水平。

3.2 PLC 控制部分

PIC 控制編程部分是整個(gè)提升機(jī)的靈魂，對(duì)機(jī)器的穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用。選用德國(guó)西門(mén)子S7-1500 型PLC 的主要原因是該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單易懂，在市場(chǎng)上備受歡迎，應(yīng)用較廣。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)指令傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要控制平臺(tái)，其工作原理是通過(guò)PLC 的指令控制和監(jiān)控系統(tǒng)使煤礦提升機(jī)的運(yùn)行路線沿S 形曲線合理運(yùn)轉(zhuǎn)。使用光電編碼器進(jìn)行提升容器位置、速度的檢測(cè)，并由上位監(jiān)控系統(tǒng)顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)卷、過(guò)速、過(guò)負(fù)荷、欠電壓、限速及測(cè)速斷線保護(hù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)急停、通信故障、定點(diǎn)過(guò)速、錯(cuò)向運(yùn)行、溜車(chē)、松繩等故障的檢測(cè)，其中過(guò)卷、過(guò)速、限速、減速等實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的雙線或多線保護(hù)。整個(gè)過(guò)程一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)提醒，避免現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)重大安全事故，為職工的生命安全保駕護(hù)航。

4 預(yù)期效果及展望

1）采用PLC 控制變頻調(diào)速的礦井提升系統(tǒng)，避免了原來(lái)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)試系統(tǒng)金屬電阻燒毀嚴(yán)重、電控間溫度極高所造成的能源浪費(fèi)。兩套PLC 進(jìn)行冗余保護(hù)，避免單套損壞造成礦井停產(chǎn)，保護(hù)功能齊全，除了能滿(mǎn)足2016 版《煤礦安全規(guī)程》對(duì)提升機(jī)保護(hù)裝置設(shè)置要求外，另加了多種保護(hù)功能，并且大多為雙線保護(hù)。

2）使用PLC 控制調(diào)速系統(tǒng)后，提升機(jī)司機(jī)誤操作減少，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，抗干擾性能大為提高。

3）滿(mǎn)足了礦井?dāng)?shù)字化對(duì)提升系統(tǒng)的要求，為煤礦的統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)支持，具有很好的推廣價(jià)值。

4）節(jié)約電能20%～30%，且調(diào)速曲線平滑，對(duì)電網(wǎng)有利，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

5）減輕了維運(yùn)技術(shù)人員工作量，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了安裝調(diào)試成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，煤礦提升機(jī)控制由傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速到轉(zhuǎn)子變頻，再到國(guó)產(chǎn)高壓變頻的研發(fā)，走過(guò)一個(gè)艱難的過(guò)程。通過(guò)采用可編程控制器PLC與高壓變頻器有效結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的自動(dòng)化控制和故障顯示。經(jīng)某煤礦在西上莊煤礦回風(fēng)井項(xiàng)目實(shí)踐證明，煤礦提升機(jī)PLC 高壓變頻節(jié)能控制系統(tǒng)切實(shí)可行，能夠有效提高控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、抗干擾能力和控制精度，確保煤礦提升機(jī)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的節(jié)能生產(chǎn)。