礦井提升機電控系統優化設計的研究

于 暢

（西山煤電集團有限責任公司公用事業分公司， 山西 太原 030053）

引言

煤礦提升機是煤炭提升的重要設備，提升機電控系統關系著煤礦提升效率和工作人員的安全，為此，諸多學者進行了相關方面的研究。梁秀春通過對煤礦提升機的電控系統組成部分的介紹，對其形成整體認知；通過對提升機電控系統的應用現狀介紹，明確了其諸多優勢；針對基于PLC 應用的現有問題，提出了改進煤礦提升機電控系統運行的措施，從而為煤礦提升機電控系統的發展提供一個新的方向[1]；李劍峰、魏宗楠仔細分析了變頻器在煤礦主、副井提升機中的使用與改造狀況，同時進行了實際應用，效果可觀[2-3]；宋振海簡述了PLC 技術在煤礦提升機控制系統中的控制原理, 結合自身的工作經驗對PLC技術在煤礦提升機控制系統進行了應用設計, 基于PLC 技術的煤礦提升機控制系統大大提高了煤礦的生產效率[4]；孫振鵬、王建軍等詳細分析了煤礦提升機設備電氣控制系統的技術改造，通過實踐，提高了煤礦生產效率及生產質量[5-6]。本文在已有的研究基礎上，進一步闡述了提升機電控系統改造思路，同時對電控系統進行了優化，可供后續研究參考。

1 提升機電控系統的改造思路

礦井提升機是煤炭提升運輸的重要機械設備，提升機電控系統的優劣直接影響著煤炭提升速率，目前，礦井提升系統多采用繼電器與接觸器和串聯電阻調試相配合的方式進行控制。

此種調試方式調控精度低、保護措施不足且較單一、提升機運行速度不易控制，現場工作人員只能靠經驗依據動力制動和轉子電阻的配合才能實現控制，但是也很難實現精確控制；在電氣控制系統中，電器元件間如繼電器以及接觸器等元件因為電磁場的影響以及觸電接觸反應較慢等原因，導致電磁慣性大，機械反應慢，因此系統的精度較低，也是因為上述原因，煤礦提升機電控系統的改造也顯得尤為重要。

根據礦井提升系統的改造要求，提升系統的基本設備中需包括電氣系統智能化控制臺、高壓饋電開關柜、高壓換向電制動切換柜、可控硅動力制動電源柜、智能型可控硅加速柜以及潤滑泵站等設備，圖1 為提升機電控系統的硬件配置示意簡圖。

圖1 提升機電控系統的硬件配置

煤礦電氣系統的控制中心核心由PLC 電氣系統和電氣系統上位機構成，相同，其軟件也是由PLC 控制軟件和電氣系統上位機軟件構成。其中，PLC 軟件的主要功能是控制提升機的啟動、停止以及加速等動作，改善提升機電控系統需從PLC 軟件入手。

礦井根據自身產煤量以及提升控制系統的差異設計PLC 軟件結構，而礦井的控制系統并不是一個單獨的大系統，而是由眾多提升控制的子系統構成，因此再對各個子系統模塊進行設計。在對模塊的設計中，礦井多采用日本三菱FX2N 系列可編程控制器，通過安全雙線設計原則，結合多種檢測模塊完成設計運算，配以提升動作、控制實踐以及控制速度等完成設計計算。

在控制系統控制器中，PID 算法是最為常見的，該方法適用于簡單的控制過程設計計算中，但是如果基于提升系統整定PID 的話，礦井提升系統的建立和保護就變得非常麻煩了。在礦井電氣系統中，提升電氣控制系統往往需要給予補償信號，這就使得電氣過程擾動嚴重，因此電氣系統的參數調整就變得異常艱難。

基于此，需進行自整定PID 依據擾動過程中負載的動態特性，礦井電氣系統的控制器干涉效應的難度變化則不需要調整，此外，因為電氣系統沒有成熟穩定的規則標準，所以參數的變化設置也難以確定。

模糊控制考慮了礦井電氣控制系統的復雜性和不確定性，在煤礦電氣控制中必須保證提升機運動的精度，出于對系統的性能以及控制器穩定因素的考慮，只能根據采集的數據結果對礦井電氣系統中的模糊關系進行驗證。

2 提升機電控系統的改造

1）礦井提升電氣系統控制方法從之前的交流系統改為直流系統，以保證礦山的安全，兩組驅動馬達用于驅動提升電氣系統的發動機，礦井提升電氣系統的整流器電動提升和速度控制電路用于6 脈沖電源。礦井提升電氣系統的可逆閥和主電機可以工作在4 個象限中，電樞可逆回路示意圖如圖2 所示。

圖2 電樞可逆回路示意圖

2）提升機電氣控制系統采用智能數字化的西門子控制設備，方便實現對電控系統的智能化控制，方便工人操作，也極大地改善了工作環境，系統出現差錯的時候也能快速的排查。

3）利用兩個PLC 控制并保護提升電氣系統的運動，同時，將軸代碼和PLC 連接實現實時監控，通過實時曲線判斷系統的準確性。

4）兩套安全回路分別保證電氣提升系統和繼電器系統的安全。

5）在主機顯示屏上實時顯示提升數據參數、運行狀態以及系統故障信息。

礦井提升機電控系統中的恒減速液壓站閥門的動作受到PLC 編程程序的控制，一般來說，礦井提升電氣系統閥門的正常電壓為9 MPa，當提升機進行減速或者剎車動作時，壓力可降為5 MPa，可能導致閥門無法打開以及突然制動等現象；蓄電器內油壓也得不到維持；礦井提升電氣系統的油泵起動后開車指令未發出，偶爾會發生毫安表自動升起開閘現象。

液壓站是礦井提升機機電控制系統改造的重要組成部分，液壓站、盤形制動器、電控系統共同組成了液壓控制系統，共同起到了保障安全制動的作用，液壓站動作原理圖如圖3 所示。

圖3 液壓站動作原理圖

對于提升機電控系統的改造，將井下主風扇以及副風扇的電機全部變換為變頻電機，且選用進口SKF 軸承。因為電控系統的風扇發熱嚴重，所以需要在電控系統的變壓器上加上通風機來加大散熱，保護機器設備的良好性。逐漸淘汰井下電控系統中的零序保護器。井下電控系統的變頻器為了防止漏電以及外界輻射的干擾需將變頻器的系統接地，所以電控系統接地的目的主要是降低設備的噪音，防止電磁的干擾，將井下提升電控系統變頻器電機負荷線與控制回路的電纜分開敷設，并將井下提升電控系統變頻器電機負荷線加裝合適的屏蔽套管。電控系統變頻器的電線需安裝合適的屏蔽套管，減少外界的干擾。將電控系統中監控以及上位機等設備都用屏蔽電纜敷設，且設備與變頻器的距離不應小于9 m，同時對井下振動變頻器加屏蔽護套。