礦井提升機調速控制技術研究

趙宇飛

(山西晉煤集團 沁秀公司 坪上煤業有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

提升機是煤礦企業的重要機械設備，是井下與地面之間物料、人員運輸的唯一通道，為避免設備和人員運輸過程中的損傷，同時保證較高的運輸效率，需進一步提高提升機運行的安全性和穩定性。提升機工作過程中，需頻繁地啟停、加減速和改變運行方向，因此核心問題之一是對提升機運行速度進行有效、合理的控制。針對這一問題，本文對提升機運行速度的優化控制方案進行了研究。

電氣控制系統是提升機工作的核心，為提高提升機的速度控制穩定性，應對控制系統進行技術升級，通過實施新的技術方案和工藝措施不斷突破生產瓶頸。當前，PLC控制技術的工業應用已非常成熟，可直接替代原有的“繼電器+接觸器”的速度控制方式。同時，交流電機變頻控制技術的應用也日漸廣泛，兩者結合，可實現對驅動部件的啟停、加減速的精確控制，使其按程序設定的速度曲線平穩運動，并便于進行遠程監測和控制[1-3]。

1 提升機系統組成

提升機運動頻繁，組成結構復雜，一般由主傳動裝置、卷筒裝置、制動裝置、深度指示裝置和控制系統等組成，具體如下：

(1) 主傳動裝置：主傳動部分主要包括主電機和主減速機，負責為提升裝置提供動力，并保證輸出特定的轉速和扭矩。其中，主電機可采用直流或交流電機，直流調速電機控制方便，但其抗過載能力差，而交流變頻電機的抗過載能力強、速度變化平穩、維修方便，價格也更具優勢，因此被越來越廣泛使用。

(2) 卷筒裝置：卷筒裝置主要由主軸、固定卷筒、活動卷筒、輪轂、調繩裝置等組成，鋼絲繩纏繞在兩卷筒之間，在主軸驅動下兩卷筒轉動，帶動提升容器完成上升和下降動作。

(3) 制動裝置：目前提升機主要采用液壓制動，因此制動裝置主要由液壓站、液壓制動器等組成。通過對油壓進行控制，可實現恒制動力或恒制動力矩控制。

(4) 深度指示裝置：為最大程度地保證運輸的安全性，礦井提升機需配置深度指示裝置，以實時顯示提升容器在礦井中的位置。

(5) 控制系統：控制系統是提升機的核心單元，主要由電氣柜、傳感器、監視器和操作臺等組成，負責所有機械、液壓和電氣設備的控制，包括設備啟停、加減速、電氣安全保護等[4-5]。

2 提升機運動特性分析

為促進安全生產，煤礦安全規程中對提升機的運行速度等進行了規定，其中，為保證準確停車，需要在停車前設置一段低速爬行階段，另外，要求電動機的轉速變化率小于0.1%。如圖1(a)所示，在一個提升循環中，提升機的運動主要分為主加速階段、勻速階段、主減速階段、爬行階段和停車階段，下降與提升過程相似。提升機運行過程中，其動力學方程為：

(1)

其中：Te為電機的電磁轉矩；TL為電機的靜負載轉矩；Td為電機的電磁動力矩；GD2為系統機械慣量，G為轉動部分的重量，D為轉動部分的回轉直徑；n為電機轉速；t為時間。

圖1(b)為提升容器的加速度a的變化曲線；圖1(c)為電機的靜負載轉矩變化曲線，由于提升過程中外部負載不變，因此TL保持不變；圖1(d)為電機的電磁動力矩變化曲線，由于Td與提升容器的加減速運動相關，因此其變化趨勢與加速度a的相同；圖1(e)為電機的電磁轉矩變化曲線，Td與TL之和即為Te，可見，隨著提升機運動，Te的大小和極性不斷變化，因此要求提升機的電力拖動系統滿足四象限運行。

3 提升機變頻調速控制系統組成

3.1 變頻調速方法

根據電磁學原理，電機的輸出轉速與輸入的交流電頻率相關，但工業用電的頻率是恒定的，因此為實現電機轉速控制，需利用變頻技術，根據不同轉速需求，調整交流電的頻率。采用變頻器可實現交流電的頻率轉化，且可得到連續變化的輸出頻率，最終實現電機輸出轉速的無級調整。

圖1 提升機動力系統運動特性參數變化曲線

常見變頻方式分為交-直-交變頻和交-交變頻兩種，前者首先通過整流，將交流電變為直流電，然后再進行變頻和逆變，最終輸出特定頻率的交流電；后者則直接對交流電進行變頻操作。本文采用體積小、維護方便、技術成熟的交-直-交變頻方式。另外，對于變頻電機的控制方式，采用較為穩定的矢量控制法，即將流經電機定子的電流分為轉矩電流和勵磁電流兩部分，然后分別對這兩部分進行控制，最后合成與直流電機相似的電機動態特性。

3.2 控制系統組成

提升機控制系統組成如圖2所示，主要由操作臺、上位機、PLC控制系統、信號采集系統和變頻器等組成。其中，操作臺用于現場操作和控制，上位機主要負責設備運行狀態監測及遠程控制。上位機和操作臺向PLC控制系統發出轉速控制信號，然后由變頻器輸出特定頻率的交流電，最終驅動電機按指定轉速旋轉。電機轉子尾部安裝的旋轉編碼器獲得當前電機的轉速信號，并反饋至PLC控制系統，形成對轉速的閉環反饋控制。

圖2 提升機控制系統組成

4 控制系統硬件設計

4.1 PLC控制裝置

兩套控制裝置均采用Siemens S7-300系列PLC，Siemens S7-300的環境適應能力較強，可承受短時負載沖擊，且易于進行編程，輸入和輸出接口豐富，可方便實現對多路傳感器信號的運算和處理。正常情況下，兩臺PLC均投入使用，一臺負責設備主控，另一臺負責監控保護。

主控PLC除處理轉速信號外，還可對電壓、油壓、位置信號等進行處理，及時控制實現加速、減速、制動等操作，使提升機平穩運行。當主控PLC正常工作時，監控PLC的輸入和輸出接口閉鎖，只能監視主控PLC的運行狀態，并對其數據進行實時拷貝。一旦主控PLC發生故障，監控PLC將獲得控制權，接管整個系統的控制，從而保證系統的穩定運行，不致發生失控故障。

4.2 變頻器

變頻器型號選擇SB61G110KW，其動態穩定性較好，具有擬超導和矢量控制能力，可對接地、過載、短路等故障進行快速保護。另外，該型號變頻器調速過程基本不受負載等變化的影響，且適應井下特殊工作環境，可靠性較高。

圖3為該型號變頻器的電氣工作原理圖。圖3中，斷路器和接觸器主要負責對電路進行故障保護和啟停操作，交流電源由R、S、T三個線端接入變頻器內，經過整流、變頻和逆變等操作后，向電機輸入設定頻率的交流電，從而獲得指定的輸出轉速。另外，電路中的電抗器La和LA，主要是抑制諧波傳入變頻器，并提高設備的功率因數和工作穩定性；降噪濾波器LB主要用于抑制外界電磁干擾對變頻電路的影響；熱繼電器FR的作用是進行斷相和過載保護。

圖3 變頻器電氣工作原理圖

4.3 信號采集裝置

選擇Siemens ET-200作為提升機的信號采集裝置，可對電機和滾筒轉速、提升容器位置、液壓站信號、潤滑站信號等進行信號采集，并送入主控PLC進行數據處理。

5 提升機控制系統軟件設計方案

控制系統的程序流程如圖4所示，首先進行程序初始化和系統自檢，然后依次啟動液壓站和潤滑站，并判斷是否可開車，當提升機運行后，對提升容器的位置信息實時進行顯示和反饋，PLC控制系統按設定的速度曲線控制電機運動，同時對超速、松繩、過載、過卷等故障進行監測，判斷是否進行報警或停機。

圖4 控制系統程序流程圖

6 結論

提升機是煤礦的重要機械設備，為提高其運行過程的穩定性和安全性，本文首先對提升機的系統組成和運動特性進行了分析，然后對基于變頻技術的電機調速方法和控制系統結構進行了研究，在此基礎上，分別對控制系統中的PLC控制裝置、變頻器、信號采集裝置等硬件設備的選擇和工作原理進行了分析，并制定了控制軟件的程序流程圖。本文所述方法對煤礦提升機的控制系統設計和改造具有積極參考意義。