煤礦提升機變頻調(diào)速及監(jiān)控技術(shù)設(shè)計分析

杜維平

（山西汾西正旺煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

引言

提升機是礦井運輸?shù)闹饕O(shè)備，主要用以物料、人員等轉(zhuǎn)運，控制系統(tǒng)是提升機核心組件，其運行效率及性能優(yōu)劣直接影響提升機運行可靠性[1-2]。提升機傳統(tǒng)的控制方式多為接觸器、繼電器結(jié)合方式，此種控制方式存在操作性差、故障率高等問題[3]。隨著PLC 控制技術(shù)在煤礦機電設(shè)備推廣應(yīng)用，采用PLC 與變頻器結(jié)合方式對提升機進行控制，可顯著增強提升機控制精度及可靠性。

基于上述問題，本文以山西某礦提升機控制為工程背景，對變頻調(diào)速監(jiān)控技術(shù)進行分析，以期更好地促進礦井生產(chǎn)。

1 提升機變頻調(diào)速及監(jiān)控技術(shù)方案

現(xiàn)階段煤礦井下常用的變頻調(diào)速控制方式包括有交- 直- 交、交- 交變頻兩種方式，其中交- 直-交通過整流器、斬波器整流、調(diào)壓后經(jīng)逆變器輸出為特定頻率交流電，交- 交變頻是通過一次變換將額定頻率交流電轉(zhuǎn)換為特定頻率的交流電。隨著技術(shù)發(fā)展，變頻調(diào)速最為常見的控制方式為矢量控制法。文中就基于交- 直- 交變頻方式來實現(xiàn)提升機變頻調(diào)速控制。

山西某礦應(yīng)用的提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)包括有PLC 控制單元（一用一備）、運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、操作臺、減速器、變頻電機以及液壓站等構(gòu)成。其中運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)接收來至于PLC的監(jiān)測信號，并在監(jiān)控設(shè)備上實時顯示提升機各部位運行參數(shù)、故障信息等；操作臺向PLC 發(fā)出控制指令，實現(xiàn)啟動、運轉(zhuǎn)以及停止等操作；2 套PLC 控制單元按照冗余原則布置，最大限度實現(xiàn)提升機可靠運行；變頻電機可依據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)提升機運行速度變頻控制；液壓站為驅(qū)動滾筒提升制動力，避免出現(xiàn)溜車。

圖1 提升機變頻調(diào)速及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 變頻監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 變頻器

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，變頻器在惡劣環(huán)境下工作時對其可靠性提出更高要求。在參考以往研究成果基礎(chǔ)上并結(jié)合煤礦井下使用的變頻器類型，選擇采用SB61G110 kW 變頻器，該變頻器由森蘭公司生產(chǎn)，在負載、速度等同時變化時仍可保持較好的穩(wěn)定性。同時使用的變頻器具備有矢量控制、擬超導(dǎo)技術(shù)，可快速保護變頻器過載、接地、短路等故障。

2.1.2 PLC 控制單元

采用2 套PLC 控制單元對提升機運行速度進行控制，從而確保提升機按照S 形速度曲線進行。監(jiān)控單元是對提升機運行速度、罐籠位置、變頻器以及卷筒狀態(tài)等參數(shù)進行監(jiān)測，并對可能出現(xiàn)故障的設(shè)備發(fā)出保護指令，提高提升機運行安全性。

提升機運行控制采用的PLC 為西門子S7-300，變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)PLC 為西門子S7-200。選用的PLC 控制單元具有環(huán)境適應(yīng)性強優(yōu)點，可承受短期沖擊負載沖擊。主控PLC 以及變頻調(diào)速監(jiān)控PLC 易于編程操作、接口端豐富等優(yōu)點，可實現(xiàn)各種邏輯運算以及控制信號處理。主控PLC 對提升機運行、液壓系統(tǒng)制動進行控制，從而使得提升機啟動、加速、減速等環(huán)節(jié)更為平穩(wěn)；監(jiān)控PLC 對變頻電機電流、電壓、轉(zhuǎn)速等實時監(jiān)測。

2.1.3 計數(shù)模塊及編碼器

計數(shù)模塊及編碼器是實現(xiàn)提升機精準運行控制的關(guān)鍵組件，選用使用的計數(shù)模塊型號為FM350，可同時對4 路脈沖信號計數(shù)；選用的編碼器型號為TRD-N2000-RZ，編碼方式為增量式，信號電壓24 V，將編碼器布置在提升機驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪上。通過計數(shù)模塊及編碼器結(jié)合使用，可顯著增強提升機提升速度及提升設(shè)備位置監(jiān)測精度。

2.2 變頻調(diào)速監(jiān)控軟件設(shè)計

2.2.1 調(diào)速控制曲線

提升機操作人員通過控制臺實現(xiàn)啟動控制，在啟動初期主控PLC 通過控制控制變頻電機電流輸出頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制，同時液壓系統(tǒng)松閘，提升機按照啟動指令運行。在提升機運行過程中，運行速度調(diào)整依據(jù)設(shè)定高的速度曲線進行，速度曲線優(yōu)劣會對提升機使用壽命以及穩(wěn)定性等帶來影響。文中依據(jù)以往研究成果并結(jié)合煤礦實際情況，提出采用7 段式S 速度曲線控制方法，具體速度控制曲線如圖2 所示。

圖2 提升機運行速度控制曲線

提升機運行速度調(diào)整分為快速加速、慢加速、均勻加速、勻速度、快速減速、滿足減速以及勻減速等階段，采用此種速度控制方式時不會導(dǎo)致提升機運行速度突變。提升機啟動、停止過程中速度變化更為平穩(wěn)，有利于提升機運行效率提升以及速度控制。

2.2.2 邏輯控制流程

具體提升機運行速度邏輯控制流程如圖3 所示，在上文所述7 段式S 曲線速度控制基礎(chǔ)上，通過編制S7-300 主控制PLC 控制程序，實現(xiàn)變頻電機運行控制，從而可以使得提升機按照設(shè)定的速度曲線運行。監(jiān)控系統(tǒng)中S7-200PLC 對提升機設(shè)備運行參數(shù)進行采集，并分析故障信息（包括超速、過卷、過載以及松繩等），確保提升機可平穩(wěn)運行。

圖3 變頻調(diào)速及監(jiān)控邏輯流程圖

3 結(jié)語

提升機是煤礦井下運輸?shù)闹饕O(shè)備之一，確保提升機高效、可靠運行對提升礦井生產(chǎn)效益具有重要意義。隨著變頻控制技術(shù)發(fā)展，變頻電機、PLC 相結(jié)合方式對提升機運行控制更為普遍。以山西某礦主提升機為工程背景，對提升機變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行分析并具體設(shè)計變頻調(diào)速及監(jiān)控技術(shù)方案。對變頻調(diào)速以及監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進行選型并確定邏輯控制方案。礦井應(yīng)用實踐表明，所設(shè)計的提變頻調(diào)速及監(jiān)控系統(tǒng)可滿足提升機運行控制需要，并可在一定程度上增強提升機運行可靠性及適應(yīng)性。