煤礦提升機變頻控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)研究

李奔鋒

（鄭煤集團 鄭新公司，河南 鄭州 450000）

1 概 況

煤礦生產(chǎn)過程中提升機是重要的輔助運輸設備，作用是對生產(chǎn)用的物品、人員以及開采的煤炭資源等進行運輸，所以其穩(wěn)定可靠運行對于保障煤礦生產(chǎn)效率和安全至關重要。隨著煤礦生產(chǎn)機械化程度越來越高，產(chǎn)量越來越大，對煤礦提升機的綜合性能要求也越來越高，尤其是控制系統(tǒng)方面，變頻調(diào)速技術的應用越來越廣泛。本文以平煤十二礦JK-2.5×2P 型提升機為研究對象，對該礦提升機變頻控制系統(tǒng)進行設計，通過實踐應用發(fā)現(xiàn)效果良好。

2 變頻控制系統(tǒng)整體方案設計

2.1 整體方案設計

以平煤十二礦使用的JK-2.5×2P 型提升機為對象進行分析，圖1 為煤礦提升機變頻控制系統(tǒng)整體方案框圖?？梢钥闯觯麄€變頻控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，同時配合使用專業(yè)的傳感器對設備的關鍵狀態(tài)信息進行采集，比如利用編碼器對電機轉(zhuǎn)速進行檢測，利用磁開關對罐籠位置進行采集。傳感器采集得到結(jié)果通過工業(yè)網(wǎng)絡上傳到PLC 控制器中，利用內(nèi)置的算法程序?qū)?shù)據(jù)信息進行綜合分析處理，根據(jù)處理結(jié)果下達控制指令，實現(xiàn)變頻器輸出電壓頻率的精確控制。

圖1 煤礦提升機變頻控制系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1 Overall scheme block diagram of frequency conversion control system of coal mine hoist

根據(jù)異步電機的工作特點，電機的電壓頻率不同時輸出的轉(zhuǎn)速也存在差異，以此實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速的控制，最終達到控制提升機運行速度的效果。PLC 控制器與上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行連接，可對提升機的運行狀態(tài)進行可視化展示，以便工作人員及時了解提升機設備運行狀態(tài)，同時可在操作臺上對PLC 控制系統(tǒng)進行控制。提升機的制動單元通過變頻器接受控制系統(tǒng)的指令，緊急情況下可對提升機滾筒進行液壓制動，保證設備的運行安全。

2.2 提升機速度控制曲線

平煤十二礦JK-2.5×2P 型提升機的速度變化曲線如圖2 所示。可以看出，提升機運行時的速度經(jīng)常變化，主要經(jīng)歷了加速、恒速、減速等不同階段，因此對速度控制方面的要求非常高，控制不好就會影響設備運行的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 提升機的速度變化曲線Fig.2 The speed change curve of the hoist

JK-2.5×2P 型提升機從靜止開始到達最大運行速度經(jīng)歷2 個加速階段，加速度分別為0.3 m/s2和0.5 m/s2，平穩(wěn)運行時速度為3.81 m/s。減速過程同樣經(jīng)歷2 個階段，對應的加速度與加速階段相同。為實現(xiàn)提升機速度的精確控制，需利用編碼器對主電機的輸出轉(zhuǎn)速進行檢測，利用磁開關對罐籠的位置進行準確檢測。

3 變頻控制系統(tǒng)硬件部分設計

3.1 PLC 控制器選型設計

控制系統(tǒng)由很多硬件裝置組成，以PLC 控制器為核心，對PLC 控制器的綜合性能提出了一定的要求，PLC 控制器的性能越好，控制系統(tǒng)的綜合性能越優(yōu)越?；诖耍鶕?jù)平煤十二礦JK-2.5×2P 型提升機實際情況，設計的控制系統(tǒng)選用西門子S7-400 型PLC 控制器，具有標準化、速度快、體積小等眾多優(yōu)勢，可以滿足該礦提升機的實際使用要求。

S7-400 型PLC 控制器在硬件結(jié)構上采用模塊化設計，各項功能由不同的硬件模塊實現(xiàn)。CPU 模塊是核心部分，型號為CPU224，作用是存儲軟件程序，并對輸入的數(shù)據(jù)信息進行分析處理；電源模塊型號為PS 405，作用是對輸入的電壓進行轉(zhuǎn)換，根據(jù)實際需要獲得不同等級的直流電壓，供不同的模塊使用，保證各個模塊的正常工作；通信模塊的作用是進行各個硬件裝置之間的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，具體型號為CP 440。S7-400 型PLC 控制器的接線如圖3 所示。

3.2 變頻器的選型設計

提升機變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的作用是根據(jù)PLC 控制器下達的控制指令，調(diào)整輸出的電壓頻率，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。此次工程案例中，S7-400 型PLC 控制器為西門子公司產(chǎn)品，為了確保變頻器與控制器的兼容性，變頻器同樣選擇西門子6SL3210-5BE21-5UV0 型變頻器，如圖4 所示。

圖4 變頻器的基本構成原理圖Fig.4 The basic schematic diagram of the inverter

該變頻器主要由3 部分構成，分別為整流電路、直流中間電路和逆變電路。對于外部輸入的交流電，首先利用整流電路對其進行處理，將交流電轉(zhuǎn)換得到直流電，再利用直流中間電路對電流進行處理，提升其穩(wěn)定性，最后利用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換得到交流電。整個過程接受控制回路的控制，在進行逆變轉(zhuǎn)換時可以根據(jù)實際需要獲得不同的電壓頻率。

4 變頻控制系統(tǒng)的軟件程序部分設計

為此次設計的提升機變頻控制系統(tǒng)的軟件程序主要流程如圖5 所示。由圖5 可知，控制系統(tǒng)的軟件程序主要由1 個主程序和多個不同的子程序組成，主程序運行時根據(jù)控制系統(tǒng)的實際需要調(diào)用對應功能的子程序。主程序工作時，依次啟動信號輸入功能塊和計算功能塊，對傳感器的數(shù)據(jù)信息進行收集并分析計算。系統(tǒng)運行時有2 種控制模式，分別為檢查方式速度給定、自動或手動方式速度給定，默認為前者。

除可以實現(xiàn)提升機運行速度的精確控制外，軟件程序還包括CPU 啟動組織模塊、通信組織模塊、報警診斷功能組織模塊、固定值參數(shù)組織模塊等。這些子程序模塊在保障提升機系統(tǒng)正常運行方面發(fā)揮著重要作用，比如報警診斷功能組織模塊能夠及時發(fā)現(xiàn)故障問題并進行聲光報警，實現(xiàn)故障診斷的效果，縮短系統(tǒng)故障時間，為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行奠定了的基礎。

5 變頻控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及應用

將設計的提升機變頻控制系統(tǒng)應用到平煤十二礦提升機工程實踐中，在現(xiàn)場對設計的控制系統(tǒng)進行調(diào)試，確定各項設計功能都正常后投入使用。目前，控制系統(tǒng)在平煤十二礦提升機工程實踐中的應用時間已經(jīng)超過1 a，通過對提升機控制系統(tǒng)服役過程中的數(shù)據(jù)信息研究，認為系統(tǒng)的性能達到了預期效果，設計的控制系統(tǒng)能夠?qū)μ嵘龣C設備進行高效精準控制，顯著提升了設備運行過程的可靠性和安全性，同時達到了節(jié)能降耗的目的。提升機故障率降低大約10%，節(jié)省了設備維護成本；變頻調(diào)速技術使提升機的運行轉(zhuǎn)速可以根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)，所以在運輸相同重量物質(zhì)的情況下，設備整體能耗有所降低，降低幅度在15%左右，降低了生產(chǎn)成本。

6 結(jié) 語

以平煤十二礦JK-2.5×2P 型煤礦提升機為對象，結(jié)合煤礦的實際需要對提升機的變頻控制系統(tǒng)進行研究與設計，工程實踐應用表明，系統(tǒng)性能良好。設計的變頻控制系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，利用編碼器實現(xiàn)主電機轉(zhuǎn)速檢測，利用磁開關實現(xiàn)罐籠位置檢測，實現(xiàn)提升機不同階段速度的精確控制；PLC 控制器和變頻器選用西門子S7-400 和6SL3210-5BE21-5UV0，保證硬件之間的兼容性；系統(tǒng)的軟件程序方面，根據(jù)系統(tǒng)的功能需要設計多個子程序，主程序運行時可以調(diào)用子程序，且能夠嵌套調(diào)用。設計的控制系統(tǒng)在平煤十二礦實際生產(chǎn)中應用1 a 以上，設備故障率降低了10%，提升機能耗降低了15%，達到了預期效果，安全效益和濟效益顯著。