華陽一礦提升機高壓變頻電氣控制系統(tǒng)節(jié)能改造

郭明明

（華陽一礦機電工區(qū)，山西 陽泉 045000）

1 概況

煤礦提升機是礦山開采的重要設(shè)備之一，電控系統(tǒng)是提升機的核心部分，電控系統(tǒng)的可靠運行對礦井的工作效率和安全生產(chǎn)有著重要作用。以前我國煤礦鑿井施工中使用的提升機電控系統(tǒng)，大多采用的是串電阻調(diào)速或低壓變頻電控系統(tǒng)，雖然操作控制部分已經(jīng)使用PLC 控制系統(tǒng)，但仍然不能適應(yīng)煤礦鑿井期間對提升機控制系統(tǒng)和提升功率的要求。這種傳統(tǒng)形式的控制系統(tǒng)不僅能源耗費量大，穩(wěn)定性也差，導(dǎo)致工作效率低下，故障頻發(fā)，給施工操作人員的生命安全帶來極大的威脅。因此，提升機高壓變頻節(jié)能電控系統(tǒng)的應(yīng)用，對整個行業(yè)的安全、高效運行起著決定性作用。在華陽一礦主立井鑿井施工中，采用了由洛陽源創(chuàng)公司生產(chǎn)的JKD/GBP-NT 型高壓變頻器，提高了提升系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，工作效率明顯提升，節(jié)能效果顯著。

2 鑿井施工中提升系統(tǒng)改造目的

華陽一礦回風(fēng)井鑿井施工中，安裝使用2JK-4 X2.1 型礦用提升機，如圖1 所示。該提升機最大提升負(fù)荷160 kN，提升速度5.2 m/s，電機功率1000 kW。為了改進(jìn)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)改造為洛陽源創(chuàng)公司生產(chǎn)的JKD/GBP-NT 型高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可簡化工作程序，節(jié)約能源，顯著提升工作效率。

圖1 2JK-4X2.1 型礦用提升機Fig.12JK-4X2.1 mine hoist

3 提升機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能要求

礦井提升機高壓變頻電控系統(tǒng)有2 個子系統(tǒng)，即PLC 控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 PLC 控制系統(tǒng)功能要求

控制系統(tǒng)需用雙PLC 網(wǎng)絡(luò)化控制，分為主控PLC 和輔控PLC。主控PLC 完成提升機的“啟動-加速-等速-減速-爬行-停車”的整個過程控制及各項保護(hù)功能；輔控PLC 協(xié)助主控PLC 完成過程控制，并具有獨立的必要保護(hù)。主控、輔控PLC 間通過網(wǎng)絡(luò)通訊相互交換數(shù)據(jù)并互相監(jiān)視實現(xiàn)雙線制控制?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具備應(yīng)急開車功能，當(dāng)PLC 故障時，能夠低速運行，這對保障現(xiàn)場工作人員能夠正常進(jìn)出非常重要。雙PLC 控制系統(tǒng)的主要特征如下。

（1） 選用2 套PLC 互為CPU 冗余控制，主、輔PLC 之間相互通訊及監(jiān)視，操作過程實現(xiàn)雙線控制方式。對提升機運行關(guān)鍵信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等） 均采用雙線制或多線制保護(hù)，互為監(jiān)視。

（2） 具有3 條安全保護(hù)回路，其中軟件安全回路2 條、硬件安全回路1 條。多條安全保護(hù)回路之間互相冗余，保證礦井提升的高效、安全運轉(zhuǎn)。輕重故障具有聲、光報警或預(yù)報警。

（3） PLC 故障應(yīng)急開車的情況下，硬件安全回路起作用。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的要求

監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機形式，上位計算機與PLC網(wǎng)絡(luò)通訊，在調(diào)試期間可作為PLC 的編程器，在設(shè)備正常運行期間起到監(jiān)控的作用，提供實時顯示、記錄、報表等功能，配有WinCC 軟件平臺、全漢字界面。

監(jiān)控軟件實現(xiàn)以下功能：提升系統(tǒng)動靜態(tài)畫面生成，對提升機系統(tǒng)發(fā)生的輕、重故障進(jìn)行診斷和保存，實現(xiàn)綜合后備保護(hù)功能；能顯示故障發(fā)生的位置、時間、原因以及故障前的有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，對深度、速度實時值、提升種類、信號情況進(jìn)行實時顯示并記錄，相當(dāng)于飛機上的“黑匣子”功能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

華陽一礦主立井鑿井施工礦用提升機電控系統(tǒng)選用洛陽源創(chuàng)電氣有限公司生產(chǎn)的JKD-NT-GBPFVA-160OKW/10(6)-6KV-200A 型網(wǎng)絡(luò)化提升機成套高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，如圖2 所示。該產(chǎn)品是國內(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，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)品性價比較高，符合華陽一礦實際使用要求。該設(shè)備專有技術(shù)——零速電氣安全制動，可在液壓制動系統(tǒng)失靈的情況下，靠零速電氣安全制動，能夠避免高速過卷事故。

圖2 成套電控系統(tǒng)Fig.2 Complete set of electronic control systems

4.1 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)運行過程中，輸入6/10 kV 的高壓交流電，通過移相變壓器將高壓電源轉(zhuǎn)換成15 組60O V 低壓電源，給高壓變頻器功率單元供電，并通過IGBT 驅(qū)動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。電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)輸出頻率隨時調(diào)整，這種功能通過PLC 的計算機編程和高壓變頻器的相互結(jié)合來共同實現(xiàn)，提升煤礦提升機整體速度的調(diào)控水平。

4.2 PLC 控制部分

PIC 控制編程部分是整個提升機的關(guān)鍵，對機器的穩(wěn)定運行起著決定性作用。選用德國西門子S7-1500 型PLC（圖3），該設(shè)備運行穩(wěn)定、操作簡單易懂，在市場上應(yīng)用較廣。該系統(tǒng)是實現(xiàn)指令傳輸和實時監(jiān)控的重要控制平臺，其工作原理是通過PLC 的指令控制和監(jiān)控系統(tǒng)使煤礦提升機的運行路線沿S 形曲線合理運轉(zhuǎn)。使用光電編碼器進(jìn)行提升容器位置、速度的檢測，并在上位監(jiān)控系統(tǒng)顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過卷、過速、過負(fù)荷、欠電壓、限速及測速斷線保護(hù)；實現(xiàn)對急停、通訊故障、定點過速、錯向運行、溜車、松繩等故障的檢測，其中過卷、過速、限速、減速等實現(xiàn)相互獨立的雙線或多線保護(hù)。整個過程一旦發(fā)現(xiàn)問題，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時提醒，避免現(xiàn)場出現(xiàn)重大安全事故，保障工作人員的生命安全。

圖3 西門子S7-1500 型PLCFig.3 Siemens S7-1500 PLC

5 預(yù)期效果

（1） 采用PLC 控制變頻調(diào)速的礦井提升系統(tǒng)，避免了原來轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)試系統(tǒng)金屬電阻燒毀嚴(yán)重、電控間溫度高所造成的能源浪費。2 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，在滿足2016 版《煤礦安全規(guī)程》對提升機保護(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，提升機司機誤操作減少，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠，抗干擾性能大為提高。

（3） 滿足了華陽一礦對數(shù)字化提升系統(tǒng)的要求，為公司的統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了技術(shù)支持，具有很好的推廣價值。

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

（5） 減輕了維運技術(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。

6 結(jié)語

隨著科技的不斷進(jìn)步，煤礦提升機控制由傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速到轉(zhuǎn)子變頻，再到國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速。通過采用可編程控制器PLC 與高壓變頻器有效結(jié)合的方案，實現(xiàn)提升機的自動化控制和故障顯示。經(jīng)華陽一礦回風(fēng)井項目實踐表明，JKD/GBPNT 型高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)切實可行，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，確保煤礦提升機的正常運行，實現(xiàn)提升機的安全節(jié)能生產(chǎn)。