基于變頻調速的礦井提升機控制系統設計研究

付李剛

（霍州煤電集團有限公司，山西 霍州 031400）

1 概況

煤礦開采中提升機是重要的輔助運輸設備，主要負責物料、人員以及煤炭運輸。提升機運行過程的安全可靠性不僅影響煤礦生產效率，也涉及人員安全。提升機從啟動到結束需要經過加速、恒速、減速等不同階段，傳統的電控系統是基于繞線式轉子串電阻調速技術設計的，這種調速方式故障率較高，且電能損耗大，工作效率較低，已然無法滿足當代煤礦生產的實際需要。近年來變頻調速控制技術獲得了快速發展，已經較為成熟，在很多工業領域均有應用。以霍州煤電店坪礦礦井提升機為研究對象，將變頻調速控制技術應用到礦井提升機的速度控制中，提高提升機運行穩定性，降低能耗。

2 礦井提升機控制系統整體方案設計

2.1 控制系統整體方案設計

結合店坪礦實際情況，設計研究于變頻調速的礦井提升機控制系統，如圖1 所示。

圖1 礦井提升機控制系統整體方案示意Fig.1 The overall scheme of mine hoist control system

由圖1 可知，整個控制系統以PLC 控制器和變頻器為核心，提升機在運行過程中通過傳感器對設備的運行狀態信息進行采集，利用旋轉編碼器對電機的輸出轉速進行檢測，所有檢測結果直接輸入到PLC 控制器中，控制器對所有檢測結果進行分析，在確保提升機設備運行高效穩定的前提條件下，對設備的運行速度進行控制。一旦發現提升機設備存在安全隱患，即下達指令對液壓站進行控制，進行滾筒制動，控制提升機能停止運行。

2.2 提升機運行速度控制

店坪礦提升機工作期間的速度變化如圖2 所示。可以看出，按照速度變化特點，可以將整個提升機運行過程劃分成為5 個階段，分別為加速階段t1、等速運行階段t2、減速階段t3、爬行階段t4和制動階段t5。加速階段提升機以一定的加速度a1運行，直到達到最大運行速度，運輸不同物質時加速度a1的數值存在差異，輸送人員時a1≤0.75 m/s2，輸送其他物料時a1≤1.2 m/s2。在等速運行階段，提升機始終以最大速度持續運行，快到終點時開始進入減速階段，以恒定的加速度a3做減速運動。罐籠即將到達設定的位置時，以恒定的較低的速度爬行，直到到達終點時，進入最后的制動階段，提升機完全停止運行。

圖2 礦井提升機工作期間的速度變化過程Fig.2 Speed change process of mine hoist during operation

3 控制系統主要硬件設計

3.1 PLC 控制器的選型設計

充分考慮工業中不同型號控制器的實踐應用，并結合店坪礦情況，選用西門子S7-300 型PLC 控制器。該型號控制器的CPU 具有良好的性能，完全能夠滿足店坪礦提升機控制系統的計算需要；具有豐富的I/O 接口，可以滿足系統的數據傳輸以及未來拓展的需要。PLC 控制器的主要結構如圖3 所示。

圖3 PLC 控制器的主要結構框圖Fig.3 Main structure block diagram of PLC controller

由圖3 可以看出，所有傳感器檢測得到的信號都需要通過輸入接口模塊傳入到PLC 控制器的數據存儲器中，之后傳輸到中央處理單元CPU 中對數據進行分析處理。CPU 下達的指令需要通過數據存儲器并通過輸出接口模塊傳輸到各個執行器中。

3.2 變頻器的選型設計

變頻器是實現變頻調速的關鍵設施，基本工作原理是將輸入的正常電壓根據實際使用需要，輸出不同的電壓，供給電機使用，實現對電機輸出轉速的調整與控制。礦井提升機在工作過程中具備四象限運行的工作特征，與其他機械設備相比，對變頻器的性能要求和安全要求更高。科姆龍KV2000 型變頻器采用矢量控制技術，將轉矩和定子磁通作為控制變量，對于負載出現的瞬時掉電和負載變化情況能夠快速響應，為整個控制系統的運行穩定性和控制精度提供了很好的保障。可以通過磁通制動對提升機進行緊急制動，保障設備的運行安全性。KV2000 型變頻器接線如圖4所示。

圖4 變頻器的接線示意Fig.4 Connection diagram of inverter

3.3 主要傳感器的選型

為了確保提升機設備運行過程的穩定可靠，保障煤礦生產安全，需要利用各種傳感器對運行狀態進行檢測，主要涉及5 種類型的傳感器。

閘瓦磨損檢測行程開關的作用是對制動器中的閘瓦磨損程度進行檢測，選用型號為LXK3-20S/L，一旦檢測發現閘瓦磨損達到一定程度，系統會向外發出警報；松繩檢測行程開關的作用是對提升機的繩索松緊程度進行檢測，選用型號為KBXC-5/127-1，一旦發現存在松繩問題，提升機會停止工作；選用DI-SORIC 磁敏開關對提升機的位置進行檢測，可以安裝在礦井進口部位；制動液壓油的壓力是確保提升機制動系統穩定運行的基礎，選用PTH504 型壓力變送器對制動油的壓力進行檢測；選用E6B2-CWZ5B2000P/R旋轉編碼器對電機的速度轉速進行檢測。

4 礦井提升機控制系統工作流程

基于變頻調速技術的礦井提升機控制系統的主要工作流程如圖5 所示。從圖中可以看出，系統開始運行后對PLC 控制器進行檢測，確保能夠正常運行。檢測完成后向外發出開車準備信號，并檢測提升機是否存在跳繩現象，如果一切正常則正式發出開車信號，提升機開始按照系統設定的速度變化5 個階段進行運行。整個運行期間，各類傳感器會對提升機的運行狀態進行檢測，一旦發現存在安全隱患，系統會立即下達指令進行預設處理。

圖5 基于變頻調速的提升機控制系統主要工作流程Fig.5 Main workflow of hoist control system based on frequency conversion

5 結語

將設計的礦井提升機變頻調速控制系統在店坪礦進行實踐應用，目前系統在煤礦中已經成功運行1 a 以上，控制系統可以按照提前設定的速度控制曲線對提升機的運行速度進行調整，不同階段之間的速度過渡平滑，確保了運行過程的穩定性，滿足煤礦生產實際需要；使用了變頻調速控制技術，設備整體運行的能耗降低了10%左右，節省了煤礦運營成本；設備故障率與之前相比有了顯著降低，為煤礦企業節省了大量的設備投資、維護和保養成本。綜上，基于變頻調速的礦井提升機控制系統應用效果良好，提升了設備運行穩定性，降低了能耗，經濟效益和安全效益顯著。