礦井主井提升機(jī)控制系統(tǒng)分析研究

李建國

摘 要：為了提升礦井提升機(jī)的智能控制系統(tǒng)，本文通過對前人研究成果進(jìn)行分析，給出了礦井提升機(jī)整體的架構(gòu)，并對提升機(jī)的硬件及軟件進(jìn)行一定的分析，同時(shí)給出了礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效的提升了礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性及安全性，為我國礦井智能化作出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：提升機(jī);控制系統(tǒng);變頻器;穩(wěn)定性

礦井提升機(jī)作為礦井生產(chǎn)中重要的設(shè)備，其在礦井工作面和地面起到了紐帶的作用，提升機(jī)運(yùn)行性能直接關(guān)系到礦山的正產(chǎn)生產(chǎn)。由于礦井提升機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜使得在運(yùn)行過程中一旦某個(gè)部件發(fā)生一定故障時(shí)，整個(gè)提升機(jī)的安全均會(huì)受到影響，同時(shí)由于礦山環(huán)境本身較為惡劣，使得提升機(jī)發(fā)生故障的幾率大大增長，所以為了對提升機(jī)的安全性進(jìn)行保障，對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是十分必要的[1-2]。此前王新亮對礦用提升機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行研究，將設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的監(jiān)測及故障診斷均達(dá)到目標(biāo)效果，大幅度縮短提升機(jī)故障維修時(shí)間及維修強(qiáng)度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。王峰給出了提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)基于雙三電平變頻器和PLC對提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證了提升機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，為提升機(jī)安全運(yùn)行提供一定的參考。本文基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了礦井提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為礦井提升機(jī)的智能控制作出一定的貢獻(xiàn)。

1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)分析

礦井提升機(jī)是連接井下和井上的重要設(shè)備，利用鋼絲線與滾筒間的摩擦作用提升箕斗，完成物料的提升工作。提升機(jī)主要是由滾筒、電機(jī)、天輪、箕斗等組成，其中根據(jù)的電機(jī)傳動(dòng)方式的不同，將電機(jī)分為交流電機(jī)和直流電機(jī)，電機(jī)在提升機(jī)中為動(dòng)力部件，為礦井提升機(jī)重要組成部分。滾筒主要用于鋼絲線的懸掛，箕斗用于裝載提升物料。

根據(jù)我國的標(biāo)準(zhǔn)，選定三相交流調(diào)速同步電機(jī)，電機(jī)選定為YY連接，勵(lì)磁電流為441A，電壓為223V，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為45r/min。相比于異步電機(jī)，同步電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)的機(jī)械特性硬。同時(shí)交流電機(jī)除了定子具備磁動(dòng)勢，轉(zhuǎn)子同樣具有直流勵(lì)磁，這是使得電機(jī)在較低頻率時(shí)仍可進(jìn)行操作。同時(shí)同步電機(jī)的調(diào)速范圍更大，通過增大轉(zhuǎn)矩角增大轉(zhuǎn)矩使得電機(jī)可以抗拒更大的轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，且響應(yīng)速度更快。同時(shí)經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)同步異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)類似，變頻調(diào)速方式相同，所以在基頻以上控制選用電壓恒定模式，反之選用定子壓降補(bǔ)償恒壓頻比值控制模式。一般的提升機(jī)速度控制是通過提升轉(zhuǎn)子電阻增大能耗來實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)利用變頻器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流，達(dá)到一定的節(jié)能目的。

在原有的礦井提升機(jī)系統(tǒng)中由于使用的電器元件較多，易發(fā)生系統(tǒng)的故障，使得提升機(jī)的運(yùn)行得不到應(yīng)有的保障，所以本此設(shè)計(jì)加入可編輯的PLC控制器，不僅可以提升變頻調(diào)速性能，同時(shí)提升的效率及容量方面均有一定的增加。選定的PLC控制器主要由CPU、輸入輸出接口、存儲(chǔ)器和電源等構(gòu)成，PLC硬件結(jié)構(gòu)圖如1所示。

CPU是PLC控制器的大腦，他可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、編程錯(cuò)誤識(shí)別、數(shù)據(jù)通訊等，他會(huì)按照運(yùn)算邏輯完成指定任務(wù)。存儲(chǔ)器是用于用戶數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及程序數(shù)據(jù)等的存儲(chǔ)，主要由兩個(gè)部分組成系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。輸入輸出模塊主要用于整個(gè)系統(tǒng)中的信息傳輸，通過自動(dòng)化執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。電源是控制系統(tǒng)開關(guān)的部件，電源的輸出可以分為兩種24V和6V，主要用于PLC中存儲(chǔ)器和CPU等的電量供給。外部設(shè)備對控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)試，實(shí)行有效的人機(jī)操作。

PLC控制器在運(yùn)行過程中會(huì)對信號處理、診斷故障、控制數(shù)據(jù)輸入和輸出和為外部設(shè)備提供服務(wù)。其主要工作是將指令順序支部執(zhí)行，直到運(yùn)行結(jié)束，重新回到系統(tǒng)的第一條指令，并開始下一輪的循環(huán)。其中掃描一次的時(shí)間為一個(gè)掃描周期，周期的長短和程序的長短及掃描速度。在電氣傳動(dòng)過程中，變頻器技術(shù)有很大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為系統(tǒng)節(jié)能、適用途徑廣和調(diào)速功能等。目前變頻器根據(jù)其交流方式可以分為交交變頻器和交直交變頻器兩種。

2 礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)分析

在礦井提升機(jī)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，為了對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，本次設(shè)計(jì)選用雙PLC冗余技術(shù)、同步電機(jī)矢量控制技術(shù)及PID變頻器控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)主要是對運(yùn)行數(shù)據(jù)、安全信息及變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。PLC控制器選擇為S7-400和S7-300，通過邏輯運(yùn)算等操作實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換、故障保護(hù)等控制。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，系統(tǒng)增加錯(cuò)向保護(hù)、保護(hù)極限上下過卷、二級制動(dòng)保護(hù)、速度同步保護(hù)等，同時(shí)系統(tǒng)采用12脈動(dòng)和6脈動(dòng)切換作業(yè)方案，在提升機(jī)某部件發(fā)生故障后仍可運(yùn)行。系統(tǒng)速度圖如2所示。

高壓供電選擇為HV1和HV2的10kV供電線，二者間互鎖關(guān)聯(lián)，不存在互擾，在供電裝置中增加微機(jī)綜保，實(shí)現(xiàn)電路中過流過壓及短路等保護(hù)。在礦井提升機(jī)房內(nèi)設(shè)置干式變壓器，一次電壓為10kV，二次電壓為400kV。低壓配電部分電壓選用380V/220V，系統(tǒng)選定雙回路進(jìn)線，如果有一條線路發(fā)生故障時(shí)，可以隨時(shí)切換另一線路進(jìn)行供電。

變頻單元選擇為SIEMENSE SL150，此變頻單元具有較高的加工精度，內(nèi)部保護(hù)功能較高，能較好實(shí)現(xiàn)過流過壓的保護(hù)。礦井提升機(jī)的安全保護(hù)需要對提升機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行多重的檢測和校驗(yàn)。不僅在硬件上需要增加安全設(shè)計(jì)同時(shí)在PLC軟件的回路中需要增加故障及威脅信號報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，此時(shí)提升機(jī)進(jìn)入保護(hù)模式，根據(jù)故障分析結(jié)果進(jìn)行不同的處理。根據(jù)故障不同大致分為：電機(jī)繞組熱量較大，電機(jī)制動(dòng)油液過熱時(shí)需要及時(shí)制動(dòng);冷卻溫度較高時(shí)不能進(jìn)行二次開車;停車時(shí)發(fā)現(xiàn)停車設(shè)備出現(xiàn)故障及時(shí)進(jìn)行停車;發(fā)生超速及過卷時(shí)進(jìn)行安全制動(dòng)。同時(shí)當(dāng)控制信息發(fā)生缺失時(shí)，立即進(jìn)入安全回路，提升機(jī)停止工作。

人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)，上位監(jiān)控采用三星彩色顯示器，同時(shí)選擇WindowsXP系統(tǒng)。通過上位監(jiān)控對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存時(shí)間為10天，既可以有效查看數(shù)據(jù)同時(shí)也降了數(shù)據(jù)量大的問題。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要提升機(jī)控制系統(tǒng)能夠提供通訊接口和以太網(wǎng)接口，方便提升機(jī)的數(shù)據(jù)采集及交流。

3 結(jié)論

本文在原有的礦井提升機(jī)基礎(chǔ)上，給出了礦井提升機(jī)整體構(gòu)建，對系統(tǒng)中的硬件及軟件進(jìn)行了一定的介紹，同時(shí)對礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定分析，給出了控制系統(tǒng)各部件的選型及工作流程，并對各個(gè)部分進(jìn)行逐個(gè)分析，根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)的安全性、可靠性及高效性等對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件選擇，保證了礦井提升機(jī)整體在技術(shù)上的可行性及可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭宇鋒，張棚，亞鴻斌，楊紅英，錢偉.紅河復(fù)烤梗提升機(jī)運(yùn)行故障分析[J].河南科技，2019（31）：35-37.

[2]吳秀祥，王聰，王晶，王暢.煤礦提升機(jī)傳動(dòng)特性檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[J].煤炭工程，2014，46（04）：20-22+25.