煤礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)改造與應(yīng)用

文/鄭宏才

鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大興煤礦主井2#提升機(jī)電控系統(tǒng)已使用10余年，繼電器、編碼器等相關(guān)電氣元件故障頻發(fā)，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷的情況逐漸增多，嚴(yán)重影響主提升系統(tǒng)工作效率。為了保證主提升系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性，大興煤礦于2020年9月至12月對(duì)主井2#提升機(jī)的電控系統(tǒng)實(shí)施改造。此次改造在保證提升機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，從整個(gè)提升系統(tǒng)入手，在兼顧提高設(shè)備功效的同時(shí)，對(duì)傳動(dòng)控制部分、行程控制部分、數(shù)據(jù)傳輸部分等進(jìn)行了改造與優(yōu)化，并且應(yīng)用了一系列行之有效的節(jié)能技術(shù)，取得了良好的使用效果。

一、提升機(jī)電源部分以及傳動(dòng)控制部分改造

1.電控系統(tǒng)電源部分改造

將原電控系統(tǒng)中高壓電源部分設(shè)備設(shè)施予以保留，原傳動(dòng)控制部分全部換新采用磁場(chǎng)恒定、電樞換向、12脈動(dòng)并聯(lián)的運(yùn)行方式，在確保系統(tǒng)正常使用的前提下，徹底杜絕了由于主回路部件氧化銹蝕帶來(lái)的一系列故障以及電能浪費(fèi)問(wèn)題。

2.傳動(dòng)控制部分改造

將原西門(mén)子6RA70直流調(diào)速裝置更新為具有性能可靠、使用穩(wěn)定、維護(hù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)的6RA80系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品將運(yùn)行代碼和故障代碼由4位字符升級(jí)至5位字符，使提升主電機(jī)的調(diào)節(jié)控制范圍更加寬泛，各種傳動(dòng)保護(hù)功能更為安全可靠。對(duì)提升主電機(jī)傳動(dòng)控制參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)試整定，依照設(shè)備的實(shí)際性能及使用情況，在實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，最大限度地對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速中的PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并且重新對(duì)速度環(huán)中的微分（超前控制）環(huán)節(jié)各參數(shù)進(jìn)行反復(fù)模擬試驗(yàn)，有效遏制了提升機(jī)變速時(shí)出現(xiàn)的速度超調(diào)趨勢(shì)，使其能夠與積分（滯后控制）環(huán)節(jié)進(jìn)行較好配合，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，也減少了相應(yīng)的無(wú)功損耗。傳動(dòng)控制部分改造在保障提升主電機(jī)在各種工況下運(yùn)行性能的同時(shí)，大幅提高了主電機(jī)的工作效率以及電能利用率，降低了無(wú)謂的電能損耗。

二、提升機(jī)行程控制部分改造

1.電控系統(tǒng)中行程控制技術(shù)概述

主提升機(jī)屬于在兩定點(diǎn)間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的大型機(jī)械設(shè)備，這樣的工作性質(zhì)及使用特點(diǎn)，決定了提升機(jī)電控系統(tǒng)中的行程與速度聯(lián)合控制是最重要的部分。對(duì)提升機(jī)的控制，歸根結(jié)底是對(duì)于行程（位置）的控制。在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，位置及行程誤差的產(chǎn)生原因多種多樣，在傳統(tǒng)的行程控制工藝中，普遍采取在電機(jī)軸側(cè)、深度指示器側(cè)（牌坊或速控器）安裝編碼器的方式，通過(guò)對(duì)主滾筒單次全行程運(yùn)行總轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)量，配合每米脈沖數(shù)或單脈沖實(shí)際距離，來(lái)?yè)Q算出箕斗的實(shí)際行程與位置。

但是，頻繁的重載往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)使鋼絲繩不可避免地出現(xiàn)拉伸及蠕動(dòng)變形，使鋼絲繩的實(shí)際長(zhǎng)度不斷發(fā)生改變。同時(shí)，人為對(duì)鋼絲繩主滾筒運(yùn)行直徑進(jìn)行調(diào)整（車(chē)?yán)K槽及換襯塊），也會(huì)造成滾筒上鋼絲繩運(yùn)行圈數(shù)的變化，導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)下的行程誤差不斷累積。在傳統(tǒng)的提升機(jī)行程控制技術(shù)環(huán)境下，一旦出現(xiàn)編碼器故障、停車(chē)開(kāi)關(guān)損壞、PLC掉電等現(xiàn)象造成行程混亂、提升機(jī)故障停止運(yùn)行時(shí)，只能通過(guò)反復(fù)的空載運(yùn)行來(lái)逐步對(duì)各編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)，直至準(zhǔn)確一致，有時(shí)因行程校準(zhǔn)而空載運(yùn)行的次數(shù)可達(dá)十余次。頻繁的空載提升在降低提升機(jī)工作效率的同時(shí)，也造成了機(jī)械磨損和電能浪費(fèi)。

2.電控系統(tǒng)中行程控制技術(shù)的優(yōu)化改造

大興煤礦主井2#提升機(jī)新電控系統(tǒng)采用導(dǎo)繩輪增量計(jì)數(shù)、速控器絕對(duì)計(jì)數(shù)、斷銷(xiāo)保護(hù)、滑繩保護(hù)、斷電行程記憶、同步開(kāi)關(guān)賦值等多種方式，聯(lián)合解決了主提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的行程控制問(wèn)題。

（1）導(dǎo)繩輪編碼器計(jì)數(shù)方式。在傳統(tǒng)行程控制工藝的基礎(chǔ)上，即保留電機(jī)軸側(cè)編碼器和深度指示編碼器的同時(shí)，增設(shè)導(dǎo)繩輪編碼器，以導(dǎo)繩輪轉(zhuǎn)數(shù)作為計(jì)量依據(jù)計(jì)算行程。因?qū)ЮK輪周長(zhǎng)較為固定，在忽略鋼絲繩與導(dǎo)繩輪襯塊間細(xì)微的滑動(dòng)摩擦的基礎(chǔ)上，無(wú)論滾筒直徑是否發(fā)生變化，此編碼器僅以鋼絲繩在導(dǎo)繩輪上運(yùn)行一周的固定長(zhǎng)度作為計(jì)量依據(jù)，避免了傳統(tǒng)控制工藝中因主滾筒直徑變化造成的計(jì)量基準(zhǔn)改變而導(dǎo)致的多個(gè)編碼器出現(xiàn)行程偏差。

（2）速控器絕對(duì)值計(jì)數(shù)方式。絕對(duì)值編碼器較增量式編碼器的最大優(yōu)點(diǎn)，就是其具有掉電保持自動(dòng)記憶的功能，采用絕對(duì)值編碼器配合電機(jī)軸、速控器、導(dǎo)繩輪三個(gè)增量式編碼器進(jìn)行聯(lián)合計(jì)量，可以避免因故障斷電時(shí)出現(xiàn)的行程數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤問(wèn)題，同時(shí)絕對(duì)值編碼器在PLC程序內(nèi)部?jī)H作計(jì)量監(jiān)視用，并不參與實(shí)際的行程與速度控制，作用僅在于對(duì)操作人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)零提示，如此可提高系統(tǒng)行程控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

（3）同步開(kāi)關(guān)定點(diǎn)賦值方式。因主井2#提升機(jī)總提升行程是固定不變的，為763m，且同步開(kāi)關(guān)的安設(shè)位置是固定不變的，在4m位置，采取同步開(kāi)關(guān)定點(diǎn)賦值的方式，可將鋼絲繩長(zhǎng)度的各種變化誤差自動(dòng)屏蔽，使其縮小到停車(chē)位置至同步位置之間的4m范圍之內(nèi)，極大地避免了誤差的過(guò)度累積，減少了每個(gè)提升循環(huán)后的行程顯示偏移量。

通過(guò)以上方法對(duì)主提升機(jī)的行程進(jìn)行聯(lián)合控制，有效解決了主提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的行程控制問(wèn)題，減少了各種因素造成的行程誤差累積，提高了行程計(jì)量的準(zhǔn)確度及可靠性。即使出現(xiàn)編碼器故障、停車(chē)開(kāi)關(guān)損壞、PLC掉電等現(xiàn)象造成提升機(jī)行程故障時(shí)，故障處理之后僅需開(kāi)啟同步測(cè)數(shù)空載運(yùn)行一至兩次，即可完成各編碼器的校準(zhǔn)，恢復(fù)主提升機(jī)行程控制部分的正常使用，有效避免了因行程校準(zhǔn)而進(jìn)行空載運(yùn)行的次數(shù)，提高了提升機(jī)工作效率，節(jié)約了電能。

三、提升機(jī)中央控制等部分改造

1.中央控制部分以及數(shù)據(jù)通訊部分改造

新增遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)站1臺(tái)，采用光纜傳輸連接，用以監(jiān)視提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)，對(duì)提升控制主副P(pán)LC進(jìn)行組態(tài)、編程、調(diào)試及系統(tǒng)維護(hù)。新增DP（PROFINET網(wǎng)絡(luò)分站），配置網(wǎng)絡(luò)傳輸用服務(wù)器與千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)連接；數(shù)據(jù)傳輸利用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送接口接入礦井網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸。在卸載操作室內(nèi)增設(shè)1臺(tái)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)了絞車(chē)控制監(jiān)控的全部功能，同時(shí)具備故障內(nèi)容的顯示、報(bào)警以及查詢(xún)功能，可為提升機(jī)檢修維護(hù)提供準(zhǔn)確故障點(diǎn)，節(jié)省故障排查時(shí)間，減輕檢修維護(hù)人員的工作量。

系統(tǒng)控制單元采用西門(mén)子S7-1500系列可編程控制器，通過(guò)TIA博途平臺(tái)V15.1，利用梯形圖和語(yǔ)句表聯(lián)合編程的方式，對(duì)提升機(jī)工藝流程進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的程序編輯。在井塔十層操作臺(tái)上預(yù)留硬件接口，用于測(cè)試提升機(jī)性能時(shí)使用。原控制系統(tǒng)中的舊設(shè)備部件及其纜線等全部換新，既保證了信號(hào)傳輸與設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，又有效避免了由于元器件、纜線等老化造成的電氣故障以及電能損耗。

2.電控系統(tǒng)中其他部分改造

井塔十層更新操作臺(tái)1臺(tái)，二層新增1臺(tái)卸載操作臺(tái)以及遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)站，兩臺(tái)操作臺(tái)在使用功能、工作模式上保持完全一致，并在二層卸載操作臺(tái)設(shè)置權(quán)限轉(zhuǎn)換操作開(kāi)關(guān)，配合裝載操作臺(tái)，提升系統(tǒng)內(nèi)不同工作地點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)“手動(dòng)”“自動(dòng)”兩種控制方式的任意設(shè)置，減輕了作業(yè)人員的工作量。

此外，在本次改造中，在整流變壓器室、輔助變壓器室、勵(lì)磁變壓器室、高壓柜室、低壓柜室、液壓站和潤(rùn)滑站室等地點(diǎn)，全部安設(shè)了聲控節(jié)能燈具，其耗電量低，工作效率高，避免了“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，在保證電控系統(tǒng)安全可靠、滿足正常使用需求的前提下，傳感器優(yōu)先采用無(wú)源型以及小功率型，并且對(duì)主備液壓站的緊急回油功能進(jìn)行了電控部分的改造，在保證緊急回油功能完好可靠的同時(shí)，取消了兩個(gè)電磁閥的使用，減少了不必要的電器元件投入，避免了電能的浪費(fèi)，提升了整個(gè)提升機(jī)電控系統(tǒng)的節(jié)電效能。

四、結(jié)語(yǔ)

大興煤礦主井2#提升機(jī)電控系統(tǒng)成功改造實(shí)踐表明，主提升系統(tǒng)作為煤炭企業(yè)生產(chǎn)工藝中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有在保障其安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的前提下，積極推廣應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，方可促進(jìn)煤礦安全高效發(fā)展和綠色低碳轉(zhuǎn)型，為礦井實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。