煤礦提升機變頻控制系統的設計與應用

蘇 森

(山西省節能中心有限公司,太原 030045)

煤礦提升機是煤礦生產中連接地面與井下的關鍵設備,在煤礦的生產設備、煤料、人員運輸以及安全保障方面發揮著重要作用。煤礦提升機的運行狀態與煤礦生產的穩定安全息息相關,但在實際生產過程中,礦井的工作環境復雜且提升機設備龐大,設備故障率較高。目前，許多煤礦中依然采用人工啟停的傳統恒頻控制方式,自動化水平低、平穩性差、可靠性也不足,存在較大的安全隱患[1-2]。為此,本文針對目前實際生產中存在的不足,參考相關資料以及生產規定,基于礦井提升機的工作原理及生產流程,結合變頻調速控制技術、總線技術以及編程知識，設計了一套主要針對礦井提升機的變頻調速控制系統并進行了實踐應用,系統可實現對提升機的平穩變頻控制以及狀態監測,大大簡化人工操作,提高煤礦生產的自動化程度,節約提升機能耗的同時保障煤礦企業生產安全,為企業增加經濟效益[3-5]。

1 總體方案介紹

煤礦提升設備布置在礦井中,工作環境相對復雜,礦井常用的纏繞式提升機其工作過程一般是由電控柜控制電動機啟停,通過電動機旋轉帶動減速箱并使與之相連滾筒旋轉纏繞鋼絲繩,由鋼絲繩提升箕斗,同時利用液壓站完成提升機運行過程中的抱閘[6-8]。提升機電機一般采用交流異步電動機,電機轉速n與電源頻率f存在一定關系,具體數學表達式為:

其中,p為由電機確定的極數,s為轉差率。

因此,可以利用變頻器改變電動機的供電頻率,達到調整控制電動機轉速的目的。傳統提升機采用的調速方式為轉子串聯電阻調速,該方式為有級調速,速度調整范圍比較有限,調速精度也不高,而且串聯電阻運行浪費了大量的電能,操作過程中司機的工作量較大,設備發熱嚴重,導致工作環境更加惡劣[9-10]。此外,提升機長期服役后,故障率較高,可靠性、穩定性都難以保障,運行維護費用高,且存在安全隱患。本文經過綜合考慮,選擇目前工業生產中廣泛應用的PLC與變頻器搭配的方式完成對礦井提升機的變頻調速控制。系統總體采用三層結構設計,即上位機監測層、控制層以及現場應用層。可實現工頻/變頻運行,搭配電源的輸入、啟動開關以及電磁閥,保障提升機的穩定可靠運行。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall system structure

2 系統設計

2.1 硬件選型分析

綜合考慮礦井提升機運行實際情況以及開發成本要求,經過分析比較,選擇西門子公司生產的S7-300系列中型PLC作為主控制器,該PLC采用模塊化設計,結構緊湊,主要由CPU、存儲器、I/O模塊以及電源模塊共同構成。其中，CPU選擇315型號,該型號CPU性能穩定、功能強大,能夠滿足提升機變頻控制使用的要求。變頻器是變頻調速控制的核心設備,本文選擇國內合康新能公司設計生產的HYVERT-YVF型矢量高壓變頻器,該變頻器組成包括控制器、接口板和人機界面。采用轉子帶速度反饋的矢量控制技術,工作過程中通過矢量控制系統的解耦, 將給定速度與反饋速度相減得到速度誤差,誤差經PI調節后輸出轉矩電流，從而保證其優異的性能。

2.2 變頻調速控制模塊

利用PLC結合變頻器對原有的工頻調速系統進行替換,采用“一主一備”供電方式,必要時可以進行手動切換。工作過程中,PLC作為主控制器按主程序掃描軸編碼器輸入的信號,計算提升的速度結合采集的電壓、電流、溫度、力矩等信號依據軟件程序模塊進行運算處理,輸出相應控制信號給變頻器,變頻器根據提升距離以及速度對供電頻率進行調整,從而調整電機轉速以控制提升機運轉的速度。PLC的外部接線如圖2所示。

圖2 PLC的接線圖Fig.2 Wiring diagram of PLC

提升機控制為速度控制,給定速度-時間函數v=f(t),經過優化,速度曲線表現為S形。工作時,提升機首先進行加速運動,到某一設定速度時開始轉為勻速。同理,停車過程進行減速操作,即將到達位置時進行制動,完成提升機的平穩停止。該工作過程實現了無極變速、啟動以及停機過程，降低了對電網的沖擊，減少了機械沖擊以及機械磨損，更加節能。為了保障控制精度,還在速度給定電路中增加限制加速度變化率的環節,使得速度曲線調整過程中的表現更為平滑,控制性能更加安全穩定。

此外,變頻調速模塊還設置有預置力矩、過卷保護、超速保護、超溫保護等緊急制動安全保護回路功能。高壓變頻器采用微型電腦控制,可以通過通信網絡將電機以及變頻器的運行數據如轉速、溫度、高度、方向等傳送給PLC的通信模塊。在電機、變頻器發生故障時,也可以將故障情況直接傳送給PLC,PLC對運行情況進行判斷并做出反應,必要時執行安全回路緊急制動,并發出聲光報警。同時,將運行情況傳輸到上位機,方便工作人員檢查分析,提高提升機系統運行的安全性與可靠性,延長設備使用壽命。

2.3 安全監測模塊

煤礦提升機作為“咽喉設備”在礦井中運行,運行環境惡劣且持續工作時間長,所以其故障率高，容易引起安全事故，且后期維修難度較大。鑒于此,本文設計了上位機安全監測模塊對設備主要部分的運行狀態進行監測，以保障設備安全穩定運行。該模塊除了接收來自PLC控制信號、變頻器的電壓、電流等狀態信息外，還分別利用振動、溫度、壓力傳感器等采集提升機的電動機、減速器，以及滾筒的振動量、主軸溫度、液壓油壓力等參數。PLC通過擴展模塊接收來自傳感器的模擬量以及數字量,對采集的信息分別進行濾波、調理、A/D轉換后再進行逆向轉換流程,將信號重新轉化為反應提升機設備運行情況的狀態參數,結合實際情況根據不同監測位置設置預警值,據此完成對提升機工作狀態的評估。

2.4 通訊模塊設計

煤礦提升機的變頻控制系統的控制核心包括上位機與PLC兩部分。上位機接收來自PLC的狀態信息以及控制信號，并通過采集電路接收來自傳感器的監測信息。PLC作為主控制器,需要接收輸入數據、輸出控制指令以及與上位機、人機界面交互通訊,這些都是通過現場總線技術實現的。其中,PLC通過通訊模塊完成模擬量以及數字量的接收以及輸出,采用Profibus-DP通訊協議實現與變頻器以及人機界面之間的通訊;采用以太網接口及Profinet通訊協議實現與上位機之間信息傳輸,并將提升機工作信息整合到整個上層以太網工業網絡中。系統的通訊結構如圖3所示。

圖3 系統通訊結構圖Fig.3 Communication structure diagram of the system

3 軟件程序設計

礦井提升機變頻控制系統的軟件程序設計主要包括PLC的程序設計、變頻器程序設計以及上位機程序設計三部分。PLC程序開發基于模塊化結構進行,針對系統選用的SIMTIC S7-300 PLC選擇西門子PLC普遍應用的Step7平臺進行程序的開發設計及通訊組態。PLC編程利用梯形圖(LAD)語言實現,該語言具有形象直觀的特點，較易被工程人員掌握。程序的開發內容包括主程序、數字量和模擬量輸入輸出的功能塊，以及具體邏輯控制功能塊子程序。PLC工作過程中按照掃描周期首先掃描主程序,由主程序進行排序、調用、執行邏輯控制模塊的子程序,子程序完成具體的啟動自檢、信號輸入輸出、速度調整控制、距離測算、制動、過卷、超速以及錯向等安全回路運算，從而實現報警、安全保護等功能。

變頻器工作程序通過變頻器的用戶調試面板進行設定,設定過程需要依據提升電機的出廠參數,輸入額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速等參數,同時設置S型速度曲線的加速與減速時長,并調試到預期效果。此外,上位機的人機界面的組態在Wincc中完成監測界面布置、數據接收、處理、運算方式、動畫動態顯示以及報警方式的設計。

系統首先啟動初始化操作并執行系統自檢,故障情況下執行安全保護子程序,正常情況下繼續運行。開車警告3 s后提升機開始按照程序運算得到的速度曲線進行工作,工作過程中需對錯向、過卷、超速等現象進行評估與預防。當提升機箕斗到達指定位置時,提升機停車,完成提升任務。PLC主程序的軟件流程圖如圖4所示。

4 應用測試

在峁底煤礦副井中對該系統進行了應用測試,結果表明,系統可實現提升機的平穩變頻控制,并且實時監測提升機的溫度、壓力、振動等狀態參數。其中,提升機在正常工作時(功率260 kW),系統監測到的狀態參數如表1所示。經過改造后,同等工況下,提升機電耗較之前減少8%左右,實現了明顯的節能降耗效果。

圖4 PLC主程序流程圖Fig.4 Flow chart of PLC main program

表1 系統狀態參數監測值Table 1 Monitoring parameters of system status

5 結語

本文針對煤礦生產中提升機現有控制系統存在的工作效率低、自動化水平低以及安全性差的問題,對煤礦提升機的變頻調速控制進行了研究。結合實際生產情況,對礦井提升機工作原理及運行流程進行了介紹,并在此基礎上結合PLC、總線技術以及軟件程序,設計了一套煤礦提升機的變頻控制系統。該系統具有控制平穩、節能降耗、運行安全穩定等優勢,實現了在煤礦實際生產中對提升機的調速控制、狀態監測。這一技術不僅提高了煤礦生產自動化水平,保障生產安全,同時還減少了工人的工作量,提高了煤礦生產效益。