礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

寇 斌

(山西西山煤電貿(mào)易有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

礦井提升機(jī)是煤礦重要的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備之一，負(fù)責(zé)礦井上、下人員，物料和煤炭的運(yùn)輸工作，關(guān)系到整個(gè)煤礦的生產(chǎn)安全，是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。 因此，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)具備動(dòng)態(tài)調(diào)速功能的礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)成為提升礦井提升機(jī)工作效率和安全性的重要目標(biāo)。

現(xiàn)有礦井提升機(jī)存在耗電量高、調(diào)速性能有限、安全性差的問(wèn)題，對(duì)提升機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)、礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)許多不利和困難。 智能變頻控制技術(shù)的應(yīng)用，為礦井提升機(jī)的適應(yīng)性調(diào)速、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)帶來(lái)便利，能夠充分應(yīng)用智能變頻控制技術(shù)達(dá)到礦井提升機(jī)安全、節(jié)能、高效運(yùn)行的目的。

筆者基于智能變頻控制技術(shù)設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，重點(diǎn)對(duì)礦井提升系統(tǒng)、提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)硬件方案、軟件方案進(jìn)行設(shè)計(jì)闡述，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證上述功能的適用性和正確性，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)智能化、信息化的運(yùn)行目標(biāo)，對(duì)提升礦井提升機(jī)井下安全作業(yè)系數(shù)和作業(yè)效率具有重要意義。

1 礦井提升系統(tǒng)分析

礦井提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1 所示，其中主軸裝置用于固定滾筒，可承受機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分的徑向和軸向負(fù)荷，同時(shí)可承受危險(xiǎn)情況的特殊負(fù)荷值；可纏繞鋼絲繩控制罐籠上提或者下放，同時(shí)可調(diào)節(jié)鋼絲繩的長(zhǎng)度[1]。

圖1 礦井提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

減速器與主軸相連，用于降低或增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，并可以將其調(diào)節(jié)至滾筒所需工作轉(zhuǎn)速。 電機(jī)為交流繞線式感應(yīng)電機(jī)，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而達(dá)到罐籠上提或者下放的目的。 液壓制動(dòng)系統(tǒng)用于控制提升機(jī)可靠停車制動(dòng)和安全制動(dòng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)速度控制、鋼絲繩長(zhǎng)度調(diào)節(jié)。 深度指示器用于明顯指示罐籠的運(yùn)行位置，接近上下井口時(shí)發(fā)出減速信號(hào)，發(fā)生故障時(shí)切斷安全回路。 變頻控制系統(tǒng)用于控制礦井提升機(jī)的運(yùn)行，是礦井提升機(jī)的核心系統(tǒng)[2]。

2 提升機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2 所示，其由PLC 控制系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、操作臺(tái)控制系統(tǒng)、能耗制動(dòng)系統(tǒng)以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成[3]。

圖2 礦井提升機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)原理

3 硬件設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化方案硬件設(shè)計(jì)主要包括控制器、變頻器、檢測(cè)傳感器等。其中控制系統(tǒng)采用雙線制PLC 控制系統(tǒng)，選用西門(mén)子313C-2DP PLC 控制器兩個(gè)，各自附帶16DI/DO；根據(jù)提升機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)展32 DI SM321 模塊4 個(gè)，16 DO SM322 模塊4 個(gè)，8 AI SM331 模塊2 個(gè)，4 AO SM332 模塊2 個(gè)，5A PS307 電源2 個(gè)。 表1 為根據(jù)提升機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)原理，對(duì)PLC 控制系統(tǒng)的地址進(jìn)行I/O 點(diǎn)分配的統(tǒng)計(jì)表。

表1 礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)PLC 地址分配統(tǒng)計(jì)

根據(jù)礦用提升機(jī)負(fù)載性質(zhì)、變化規(guī)律，計(jì)算變頻器的容量、過(guò)載能力以及起動(dòng)能力，選用的變頻器型號(hào)為ACS800-07-0550-7，采用直接轉(zhuǎn)矩控制模式[4]。 閘磨損檢測(cè)行程傳感器安裝于每一組(共四組)閘邊，為L(zhǎng)XK3-20S/L 碰頭式行程開(kāi)關(guān)，碰頭頂住閘皮時(shí)，輸出常閉信號(hào)；當(dāng)閘瓦磨損時(shí)，輸出常開(kāi)信號(hào)，同時(shí)切換安全回路，保證提升機(jī)安全運(yùn)行。 松繩檢測(cè)行程傳感器安裝于鋼絲繩兩端，為L(zhǎng)EX-3-001搖臂式行程開(kāi)關(guān)[5]。 當(dāng)提升機(jī)鋼絲繩發(fā)生松繩時(shí)，鋼絲繩會(huì)壓倒行程開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)安全回路，迫使提升機(jī)無(wú)法運(yùn)行。 罐籠到位檢測(cè)行程傳感器用于檢測(cè)提升機(jī)的運(yùn)行規(guī)律和速度曲線，利用磁敏開(kāi)關(guān)和磁鋼的吸合作用達(dá)到確定罐籠位置的目的。 選用罐籠到位檢測(cè)行程傳感器的型號(hào)為BEX-5-02，防爆等級(jí)IP55。圓盤(pán)深度指示檢測(cè)開(kāi)關(guān)安裝于提升機(jī)的上下過(guò)卷以及終端，利用霍爾效應(yīng)確定罐籠的位置。 制動(dòng)油壓檢測(cè)傳感器安裝于液壓站出管的A 管、B 管上，可檢測(cè)0～10 MPa 壓力，輸出為4～20 mA 電流信號(hào)[6]。

4 軟件設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化方案軟件設(shè)計(jì)基于STEP7、采用功能塊編程方式實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)提升機(jī)變頻控制方案設(shè)計(jì)以及硬件設(shè)計(jì)原理，軟件流程以及模塊劃分見(jiàn)圖3 所示。

為保證提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)、安全、可靠，采用帶加速度變化限制的速度給定模式，由軟件實(shí)現(xiàn)提升運(yùn)行速度曲線的S 化，產(chǎn)生S 型速度給定曲線，保證提升機(jī)在加速起動(dòng)段、減速制動(dòng)段產(chǎn)生期望運(yùn)行曲線[7]。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)參數(shù)

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)選用的提升機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2 所列，額定電壓為AC380V，額定電流為320 A，額定功率為160 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為742 r/min。

表2 提升機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)前，需對(duì)變頻器的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置值以及物理意義見(jiàn)表3 所列，將額定電壓、欸頂電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為與提升機(jī)參數(shù)一致。

表3 變頻器主要參數(shù)設(shè)定

5.2 試驗(yàn)過(guò)程

通電前完成系統(tǒng)硬件連線檢查，在確保安全的情況下通電。 在完成PLC 控制系統(tǒng)輸入、輸出邏輯調(diào)試、整體調(diào)試、系統(tǒng)保護(hù)調(diào)試、操作臺(tái)監(jiān)控調(diào)試后，重點(diǎn)完成手動(dòng)控制、自動(dòng)控制模式下的提升機(jī)加速過(guò)程、等速過(guò)程、減速過(guò)程試驗(yàn)[8]。

加速過(guò)程:司機(jī)收到開(kāi)車信號(hào)后，先推工作閘，再推主令，絞車開(kāi)始運(yùn)行后，將主令手柄慢慢推位或推至極限位置[9]。

等速過(guò)程:此時(shí)工作閘比例電流在顯示屏上顯示3.7 mA 左右，當(dāng)顯示屏上速度顯示為最大值3.2 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)矩輸出、速度輸出趨于平穩(wěn)。

減速過(guò)程:減速點(diǎn)到后，有相應(yīng)的語(yǔ)言報(bào)警和警鈴聲，提升速度逐漸降低，到位后自動(dòng)停車。

5.3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，連接示波器并實(shí)時(shí)采集提升機(jī)在加速、等速、減速過(guò)程中的速度曲線，如圖4 所示，其中1 為提升機(jī)速度響應(yīng)曲線，2 為速度給定曲線[10]。 由圖4 可知，應(yīng)用變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化方案后，該提升機(jī)加、減速平穩(wěn)，停車時(shí)能實(shí)現(xiàn)電氣和液壓制動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)高性能的頻率控制、轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制，大大改善了提升機(jī)工作性能。

圖4 手動(dòng)控制全過(guò)程速度響應(yīng)曲線

6 結(jié) 論

以礦井提升機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了硬件、軟件設(shè)計(jì)思路和方法，基于雙PLC 控制系統(tǒng)，融合變頻控制技術(shù)、傳感器技術(shù)對(duì)原礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成試驗(yàn)分析。

(1) 優(yōu)化后的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)，在滿足提升機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)了加速、等速、減速過(guò)程的平穩(wěn)運(yùn)行，改善了提升機(jī)的工作性能。

(2) 經(jīng)試驗(yàn)分析驗(yàn)證，優(yōu)化后的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，提升了礦井提升機(jī)的智能化水平，有助于提高提升機(jī)井下作業(yè)安全系數(shù)和作業(yè)效率。