煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究

李文強(qiáng)

（潞安化工寺家莊公司，山西 晉中 045300）

0 引言

煤礦提升機(jī)設(shè)備作為重要的物料人員轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，其運(yùn)行性能的好壞直接關(guān)系到工作人員的生命安全以及煤礦企業(yè)的生產(chǎn)開采。通常對提升機(jī)運(yùn)行過程使用直接啟動或軟啟動的方式，但這種控制方式無法實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備的精準(zhǔn)變頻控制，而且沖擊性較大容易造成設(shè)備損壞，故障發(fā)生率高，容易引發(fā)安全事故。通過應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備的調(diào)速控制，控制精度更高，系統(tǒng)運(yùn)行性能也更為穩(wěn)定可靠。本文通過利用上述變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)一種變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，來確保礦用提升機(jī)設(shè)備啟?？刂浦械恼{(diào)速穩(wěn)定性。

1 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對于礦用提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控單元、PLC 控制器設(shè)計(jì)、變頻電機(jī)、減速器以及液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，具體系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成如圖1 所示。

1）監(jiān)控單元。在變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行過程中，提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控單元即狀態(tài)檢測系統(tǒng)，通過PLC 控制器接收到的監(jiān)測信號來將提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障記錄等進(jìn)行實(shí)時顯示。

2）PLC 控制器。為了確保PLC 控制器的穩(wěn)定運(yùn)行效果，分別設(shè)計(jì)了主控PLC 以及保護(hù)監(jiān)測PLC 兩套系統(tǒng)，可確保提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，其中主控PLC 單元用于下達(dá)控制執(zhí)行命令，保護(hù)監(jiān)測PLC 單元用于對提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測記錄，并對運(yùn)行故障進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。

3）變頻電機(jī)、減速器。變頻電機(jī)中的變頻器元件負(fù)責(zé)對PLC 控制器中的控制信號進(jìn)行接受執(zhí)行，同時可根據(jù)輸入的頻率變化情況驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器可以通過對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的速度進(jìn)行監(jiān)測，從而得出提升機(jī)的提升距離等信息。

4）液壓控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)通過在提升機(jī)運(yùn)行過程中，液壓站向卷筒提供制動力，來防止提升機(jī)啟停瞬間的溜車現(xiàn)象，確保提升機(jī)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 變頻器選型設(shè)計(jì)

基于煤礦惡劣的工作環(huán)境，對各設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)要考慮到在井下運(yùn)行的可靠性。因此對變頻器的選型擬采用SB61G110KW 型號森蘭公司研發(fā)的變頻器設(shè)備，該變頻器設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在速度以及負(fù)載參數(shù)不斷變化情況下的穩(wěn)定運(yùn)行效果，同時還具備矢量控制能力，可以實(shí)現(xiàn)短路、過載等狀態(tài)下的電路快速保護(hù)。

2.2 PLC 控制器選型設(shè)計(jì)

在對PLC 控制器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時，為確保提升機(jī)主控PLC 單元故障情況下不影響提升機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行，同時設(shè)計(jì)一套保護(hù)監(jiān)測PLC 控制單元。其中，設(shè)備主控PLC 單元可以對礦用提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行速度曲線進(jìn)行控制，通過對提升機(jī)各運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化來達(dá)到最為穩(wěn)定高效的運(yùn)行狀態(tài)；而保護(hù)監(jiān)測PLC單元作為提升機(jī)設(shè)備的備用控制單元，可以用于對提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行速度、卷筒運(yùn)行狀態(tài)、提升機(jī)提升高度等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集記錄，并在提升機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行異常狀態(tài)時下達(dá)指令進(jìn)行預(yù)警保護(hù)等，確保提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中的安全可靠[2]。

對于主控PLC 單元選型擬采用S7-300 型號，而備用保護(hù)監(jiān)測PLC 單元擬采用S7-200 型號。前者PLC 控制單元的特點(diǎn)在于在短時沖擊載荷下的抵抗性較強(qiáng)，適用于井下提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行特征，而且該型號PLC 元件易于編程，方便后續(xù)數(shù)據(jù)信號處理及邏輯計(jì)算。在該P(yáng)LC 元件上的多I/O 接口可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)各電壓、電流、運(yùn)轉(zhuǎn)速度等參數(shù)數(shù)據(jù)信號的接收，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的多種形式下的制動效果，可以確保提升機(jī)設(shè)備的調(diào)速運(yùn)行更為平穩(wěn)[3]。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 邏輯控制方案

首先利用邏輯控制方案進(jìn)行主控PLC 單元編程設(shè)計(jì)，通過對變頻器的頻率進(jìn)行邏輯輸出控制，確保提升機(jī)設(shè)備按照上述運(yùn)行速度曲線軌跡進(jìn)行提升作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制流程；而對于保護(hù)監(jiān)測PLC 單元來說，主要是進(jìn)行一些提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集工作，包括超速、過載、電流、溫度等參數(shù)信息，通過對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比分析，及時對礦用提升機(jī)的異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警處理，確保提升機(jī)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

如圖2 所示，主控PLC 單元在變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動時進(jìn)行程序自檢，出現(xiàn)異常狀態(tài)報(bào)警并進(jìn)行故障診斷處理，若自檢程序正常運(yùn)行則提升機(jī)設(shè)備啟動，并同步啟動液壓站制動器以及潤滑裝置，在提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中若按照設(shè)定速度曲線平滑變速，則進(jìn)行后續(xù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，若與設(shè)定速度曲線出現(xiàn)運(yùn)行偏差，則啟動校正程序并對偏差位置進(jìn)行顯示。在上述故障診斷處理以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測程序控制中主要是對保護(hù)監(jiān)測PLC 單元進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過對提升機(jī)設(shè)備的超速、松繩、過載、卷筒過卷以及異常停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行自檢，出現(xiàn)上述故障情況立即停機(jī)報(bào)警，確保提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中的安全穩(wěn)定。

圖2 邏輯控制方案流程圖

3.2 調(diào)速控制曲線

礦用提升機(jī)設(shè)備的變頻調(diào)速功能運(yùn)行流程為：提升機(jī)操作人員控制提升機(jī)設(shè)備開啟啟動，主控PLC單元控制變頻器輸出設(shè)置頻率下的電流信號，同時液壓系統(tǒng)制動器將同步運(yùn)行，提升機(jī)設(shè)備開始啟動運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行速度變化情況將取決于程序中設(shè)計(jì)運(yùn)行曲線，因此該運(yùn)行曲線將直接決定提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，并影響到提升機(jī)設(shè)備的使用壽命。本文設(shè)計(jì)出的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行曲線為7 段式梯形運(yùn)行速度控制曲線，如圖3 所示。可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行過程中的快加速運(yùn)行、均勻加速運(yùn)行、慢加速運(yùn)行、均速運(yùn)行、快減速運(yùn)行、均勻減速運(yùn)行以及慢減速運(yùn)行7 個運(yùn)行過程，這種設(shè)計(jì)方式可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程的平滑調(diào)速，因此更適合對礦用提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行速度控制。

可以看出，礦用提升機(jī)設(shè)備的運(yùn)行速度曲線控制包括梯形運(yùn)行速度曲線以及加速度運(yùn)行曲線，通過在t1～t7時間段分別設(shè)定加速度線性增大、恒定、線性減小、恒定、線性減小、0、線性增大這7 個加速度變化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)礦用提升機(jī)設(shè)備在調(diào)速控制過程中速度的加速度增大的變加速、勻加速、加速度減小的變加速、勻速、加速度增大的變減速、勻減速、加速度減小的變減速7 個速度變化狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)控制提升機(jī)設(shè)備在變速調(diào)節(jié)過程中的速度平滑調(diào)節(jié)效果。對提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行平滑穩(wěn)定速度調(diào)節(jié)，避免提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中的沖擊性造成的部件損壞或制動失靈等運(yùn)行故障。

4 應(yīng)用效果

將設(shè)計(jì)完成的煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過3 個月的試運(yùn)行得出以下結(jié)論：設(shè)計(jì)出的變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，PLC 控制器可以實(shí)現(xiàn)對變頻器節(jié)點(diǎn)的精確控制，各系統(tǒng)組件信號交流穩(wěn)定通暢，井下工作性能保持穩(wěn)定；控制提升機(jī)電機(jī)速度反轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)將速度按照控制曲線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，到一定范圍后進(jìn)行反轉(zhuǎn)操作，避免了速度快速變化對電機(jī)及提升機(jī)設(shè)備造成的沖擊破壞。

5 結(jié)語

現(xiàn)有礦用提升機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)調(diào)速性能較差、故障發(fā)生率高，利用交流變頻調(diào)速的方式，提出一種煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。主要包括對變頻器、PLC 控制器等部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對提升機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，在提升機(jī)速度控制器曲線設(shè)計(jì)過程中，采用梯形變速調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)來增強(qiáng)提升機(jī)變速調(diào)節(jié)過程中的平滑性，同時在邏輯控制方案中對PLC 控制器進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)確保提升機(jī)設(shè)備急啟急停過程中速度的平緩調(diào)節(jié)控制。