礦井提升機電氣節能控制系統的設計與應用

王建龍

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司，山西 陽城048108）

引言

提升機為煤礦生產的主要運輸設備，其運輸能力僅次于帶式輸送機。在實際生產中，提升機的提升效率、安全性和節能性直接影響綜采工作面的生產。傳統提升機電氣系統主要以異步電機轉子回路串電阻調速系統為主，該系統無法根據提升機的實際運量對其提升速度進行調整，導致出現“大馬拉小車”現象，從而造成了電能的浪費。除此之外，提升機傳統電氣控制系統缺乏對設備的保護功能[1]。因此，本文著重對提升機電氣控制系統進行研究，在實現其節能效果的同時，達到提升其可靠性的目的。

1 提升機電氣控制系統的總體設計

本文以單繩纏繞式提升機為研究對象，其主要由提升容器、鋼絲繩、電氣設備、天輪以及裝卸設備等組成。為實現提升機電氣控制的節能運行效果和高可靠性，本文擬采用以PLC控制系統為電氣控制系統的核心，實現對提升機從啟動、加速、運速、減速、爬行至停機整個過程的節能、高可靠性控制。根據提升機的生產需求，對應其電氣控制系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 提升機電氣控制系統結構框圖

如圖1所示，提升機電氣控制系統由主控制系統、輔助控制系統和監控系統組成[2]。其中，主控制系統主要完成對提升機工作方式和控制方式的確定；輔助控制系統主要完成對可調閘速度、制動速度閉環環節以及速度測定等環節的控制，其為提升機主控制系統的精準執行奠定基礎；監控系統通過上位機顯示器為用戶提供了實時查看提升機運行速度、加速度、故障類型及位置等參數的界面，可保證用戶實時獲取提升機的運行狀態。為保證提升機電氣控制系統的可靠性和有效性，要求電氣控制系統滿足如下要求：當提升機用于升降作業人員時，其加（減）速度不得大于0.75 m/s2，當用于升降物料時，其加（減）速度不得大于1.2 m/s2；可保證提升機在重載條件下啟動，且不會對其他設備及電網造成沖擊；可實現對提升機的無級調速功能，保證在不同速度的平穩轉換；可實現對提升機重載、超載等工況的保護功能，增設必要的聯鎖和保護環節。

2 提升機電氣節能控制系統的設計

2.1 提升機主控系統的設計

提升機主控制系統的核心為PLC控制器，綜合提升機電氣控制系統的需求和PLC控制器的產品類型，最終所選型PLC控制器為三菱FX2N系列的PLC。

根據提升機主控制系統的控制需求，其輸入點包括有主備PLC之間的輸入、旋轉編碼器信號、操作臺控制信號、外圍設備開關量、模擬量信號等信息的輸入。經統計可知：對應主控系統中外圍設備開關量共有69個，模擬量信號量共有8個，旋轉編碼器的信號共有4路。PLC輸出點包括有開關量和模擬信號的輸出，其中開關量共有32個，模擬信號共有2個。提升機主控系統PLC控制器相關模塊的選型結果如下頁表1所示。

提升機主控制系統除了完成對提升機啟動至停機等階段的控制外，還需實現對提升機的保護功能[3-5]。根據所采集到的各種保護信號將事故的嚴重程度分為重事故信號和輕事故信號，并根據不同的事故等級完成對提升機不同的保護操作，提升機安全保護系統功能的實現如下頁圖2所示。

表1 PLC控制器相關模塊選型

圖2 提升機安全保護系統

2.2 提升機變頻調速系統的設計

變頻調速系統為實現提升機節能運行的關鍵，其能夠實現對提升機提升速度的無級調速，從而解決了傳統提升機調速系統在重載或者載荷突變工況下進行調速操作時對綜采工作面系統和工作面電網造成的沖擊，在實現節能效果的同時，提升系統運行的可靠性和安全性。

變頻器的選型為提升機變頻調速系統設計的主要內容之一，變頻器選型主要依據系統電機的額定功率及其在載荷突變工況下的低頻提供高轉矩的能力。因此，針對本文提升機的應用情況，最終所選型變頻器的具體型號為5HK62-5B；根據提升機的工作要求，為其設計對應的PLC控制程序，并能夠實現系統在工頻和變頻兩個工況下切換運行，其切換原理如圖3所示。

圖3 工頻與變頻調速系統切換結構示意圖

3 提升機電氣控制系統的應用

為驗證本文所設計提升機的電氣節能控制系統的應用效果，本文著重對該電氣節能控制系統對提升機調速效果和節能效果進行具體分析。

3.1 平滑調速功能的驗證

本文對提升機運行一個循環狀態對提升容器速度的控制情況進行實時監測，得出如圖4所得監測結果。

圖4 變頻調速系統對提升速度的控制效果

如圖4所示，基于電氣節能控制系統，提升機系統在前7 m內實現對提升容器的初加速階段，并從7～73 m為系統的加速段，待勻速（8.38 m/s）運行443 m后系統開始減速運行。其中，在減速段運行距離約為65 m，待速度減至2.5 m/s后開始爬行，待爬行7 m后系統停機。在整個循環階段，系統速度的變化趨勢均相對平滑，滿足平滑調速的要求。

3.2 節能效果的驗證

將改造后的電氣節能控制系統應用于實際生產中發現，就目前某煤礦的日常提升運輸任務而言，在變頻調速系統的控制下提升機處于低速運行的時間約占提升機一個循環提升時間的30%左右；而傳統調速系統的控制下，在一個提升循環內僅有10%的時間處于低速運行時間。此外，提升機采用電氣節能控制系統后，在調速過程中對系統造成的沖擊明顯降低，降低了系統維修的成本，間接地解決了提升運輸的成本。

綜合比較可知：電氣節能控制系統的應用可為提升機的實際提升任務節能約20%。

4 結論

1）完成對提升機電氣控制系統中PLC控制器、變頻器的選型，并完成對提升機安全保護系統的設計；

2）經實踐表明，提升機電氣節能控制系統可實現對提升機從啟動至停機整個運行階段的平滑控制；并且實現提升機的變頻節能調速控制后，每年可節約的電費約為之前控制下電費的20%。