礦用提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭海峰

(華陽集團(tuán) 一礦機(jī)電工區(qū)，山西 陽泉 045000)

0 引言

提升機(jī)是煤礦大型自動化運(yùn)輸設(shè)備之一,主要用于井上井下人員、物資設(shè)備、煤炭矸石等的傳送運(yùn)輸,其安全穩(wěn)定高效運(yùn)行對于煤礦生產(chǎn)至關(guān)重要。由于提升機(jī)需不間斷運(yùn)行,其能耗及零部件故障率較高,且相應(yīng)控制系統(tǒng)組成較為復(fù)雜,電機(jī)在運(yùn)行過程中需頻繁進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致提升機(jī)運(yùn)行安全性、可靠性較差。目前我國提升機(jī)控制技術(shù)除趨于淘汰的轉(zhuǎn)子串電阻方式外,多數(shù)采用直流電機(jī)傳動等方式,調(diào)速性能極為有限。而具備提升容量大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)則依賴進(jìn)口,自主研發(fā)技術(shù)仍不夠成熟。

針對上述問題,本文對煤礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析,從軟、硬件分析設(shè)計入手對提升機(jī)控制系統(tǒng)變頻調(diào)速各核心部分進(jìn)行架構(gòu),最終設(shè)計完成了煤礦主井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PLC為控制核心實現(xiàn)與交流變頻器的對接,在保證調(diào)速性能的同時進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動化程度及擴(kuò)展性,從而有效解決傳統(tǒng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、準(zhǔn)確性低等問題,對于煤礦提升機(jī)運(yùn)行效率及安全性的提高具有實際應(yīng)用價值。

1 提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)組成

煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)主要由主軸牽引單元、變頻調(diào)速單元、液壓制動單元、電氣控制及輔助系統(tǒng)組成[1-3]。其中,主軸牽引單元用于控制牽引繩,變頻調(diào)速部分包括變頻器、減速器與電動機(jī),液壓制動部分由制動器及液壓傳動裝置組成,輔助系統(tǒng)包括潤滑站及深度探測裝置等,電控部分用于執(zhí)行提升機(jī)控制操作及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。提升機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 提升機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

傳統(tǒng)提升機(jī)電控系統(tǒng)采用繼電器或單PLC對整個提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制,導(dǎo)致提升機(jī)在加減速階段速度控制性能較差,停車位置不夠準(zhǔn)確,需頻繁進(jìn)行位置調(diào)整,能量損耗嚴(yán)重,當(dāng)繼電器或單個PLC發(fā)生故障時無法維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行,系統(tǒng)可靠性較差。因此本文對提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計重點為電控系統(tǒng)的改造升級。

1.2 煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)改造方案

為最大化提高提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行效率同時節(jié)約成本,本文將原系統(tǒng)的主軸牽引單元、液壓制動單元及輔助系統(tǒng)予以保留,針對系統(tǒng)中的電氣控制部分、變頻調(diào)速部分及上位機(jī)監(jiān)控部分進(jìn)行改造設(shè)計。

1.2.1 電控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用雙PLC冗余控制結(jié)構(gòu)代替原有單PLC及繼電器控制模塊,兩個PLC分別作為系統(tǒng)主控機(jī)和監(jiān)控機(jī),由主控PLC控制系統(tǒng)I/O輸入輸出,監(jiān)控PLC進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)采集,并與主控PLC實時通訊,當(dāng)主控PLC發(fā)生故障時立即切換至監(jiān)控PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制。

1.2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

改造方案在原系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子回路基礎(chǔ)上增加了工頻-變頻切換裝置,當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時由電控系統(tǒng)控制切換至原調(diào)速模式,保持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用高性能礦用高壓交流變頻器,可在高動態(tài)及調(diào)速性能下實現(xiàn)對提升機(jī)電機(jī)的頻率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩控制,同時高性能變頻器自帶綜合保護(hù)及參數(shù)采集功能,易于實現(xiàn)自動控制,可與雙冗余PLC電控系統(tǒng)形成良好的控制及監(jiān)測交互。

1.2.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

改造方案采用WinCC組態(tài)軟件對上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,使人機(jī)交互界面更為直觀簡潔,有效實現(xiàn)了提升機(jī)遠(yuǎn)程控制及各類運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測等功能。

2 提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

按照改造方案對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計,系統(tǒng)采用雙PLC冗余控制模塊實現(xiàn)提升機(jī)操作控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及液壓制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及安全電路的控制,有效提高系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出波形良好的礦用高壓變頻器替代原有380 V交流變頻器,在提高調(diào)速效率及性能的同時可進(jìn)一步降低能耗。提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選用西門子S7-400可編程控制器作為主控機(jī),選用S7-300作為監(jiān)測機(jī),S7-400及S7-300的高效、高可靠性及高速運(yùn)算能力可滿足提升機(jī)控制系統(tǒng)對控制精度、傳輸及運(yùn)算速度的需求。二者采用Profibus實現(xiàn)通訊,當(dāng)主控機(jī)發(fā)生故障時立刻切換至監(jiān)測機(jī)完成系統(tǒng)所有控制機(jī)監(jiān)測功能。冗余雙PLC模塊配置如表1、表2所示。

表1 主控PLC模塊配置表

表2 監(jiān)測PLC模塊配置表

高壓變頻器作為直接驅(qū)動高壓電動機(jī)的電能控制裝置,可實現(xiàn)對電機(jī)的無級調(diào)速,同時其過載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形良好的優(yōu)點可進(jìn)一步提高提升機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速及節(jié)能性能。本文選用CF-GYG型交-直-交礦用高壓變頻器,其額定容量為500 kW,可適配本系統(tǒng)容量為400 kW的三相異步電動機(jī),具有高功率因數(shù)、高可靠性、低諧波含量和低功耗等特點。CF-GYG采用電流矢量控制方式,輸出電壓調(diào)節(jié)采用高載頻PWM控制,其逆變效率可達(dá)98.5%以上,整機(jī)運(yùn)行效率>97%,輸入功率因數(shù)>0.95,工作性能優(yōu)越;其平均無故障工作時間>100 000 h,平均修復(fù)時間<10 min,可靠性較高;同時CF-GYG具有內(nèi)置濾波器,輸出電壓諧波<3%,無需額外輸出濾波器即可適配于系統(tǒng)電機(jī),完全能夠滿足本系統(tǒng)調(diào)速控制需求。

3 提升機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文采用WinCC組態(tài)軟件對上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行設(shè)計,進(jìn)一步提升上位機(jī)系統(tǒng)功能性及操作性,通過可視化交互界面可對提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及主要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實時顯示監(jiān)測,如主機(jī)行程、提升速度、制動油壓等。通過上位機(jī)軟件交互平臺可對深度探測器等各類傳感設(shè)備及牽引繩松緊進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)矯正及參數(shù)設(shè)定,同時具備安全回路及歷史曲線顯示功能,可對提升機(jī)是否到位、變頻正反向、檢修或常規(guī)等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及控制。系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)界面設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)界面

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)提升機(jī)控制系統(tǒng)存在的不足,提出了一種采用雙冗余PLC控制、高壓變頻器驅(qū)動調(diào)速的提升機(jī)電控系統(tǒng)改造方案,從電控系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)及監(jiān)控上位機(jī)三個部分進(jìn)行軟硬件優(yōu)化,有效提高了提升機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速、節(jié)能性能及運(yùn)行效率,對于煤礦提升機(jī)智能化發(fā)展具有實際意義。