礦井提升機變頻控制系統的設計與實踐應用

楊躍鵬

（山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦開采過程中需要用到大量的機械裝備，其中提升機是非常重要的煤礦生產設備之一，對于保障整個采煤過程的順利推進具有非常關鍵的作用[1]。隨著企業節能減排壓力以及生產成本的不斷增加，如何進一步提升礦井提升機的運行效率及服務安全性是所有煤礦企業面臨的關鍵問題[2-3]。針對礦井提升機開展自動化改造，確保提升機設備能夠根據生產過程實際狀態對相關工藝參數進行實時調整，是保障提升機安全運行并提高設備運行效率的重要措施和手段[4-5]。本文在分析某煤礦企業礦井實際狀況的基礎上，對其提升機設備開展變頻控制系統設計，并將其應用到工程實踐中，取得了較好的應用效果。

1 煤礦企業及提升機設備概述

胡底煤業提升機系統采用JKMD-2.8×4 ZⅡ型4 繩摩擦落地式絞車、11.8 t 雙罐籠提升容器、直徑為2.8 m 導向天輪、直徑為28 mm 提升鋼絲繩、直徑為42 mm 平衡鋼絲繩，提升高度為498.3 m。主滾筒直徑為2.8 m，采用630 kW 雙直流電機連接減速比為10.5 的減速器驅動，設計最大提升速度10.5 m/s，實際最大提升速度6 m/s，最大有效載荷9.5 t，名義有效載荷8 t，最大靜張力差95 kN。提升機在運行過程中的不同階段其運行速度存在一定差異，原則上要求對提升機運行速度進行精確控制，這是保障設備正常穩定運行的基礎和前提。以往的速度調節方式在實踐中暴露出來一些問題，主要表現在控制效率不高、能源消耗較大等，不利于煤礦企業的可持續發展[6]。基于此，企業引入變頻調速控制技術，針對礦井提升機設計變頻控制系統，實現提升機不同運行階段運行速度的精確控制，提升了設備的自動化水平，保障了采煤效率，壓縮了生產成本。

2 變頻控制系統總體方案設計

圖1 所示為設計的礦井提升機變頻控制系統總體方案。從圖中可以看出，該控制系統與傳統的速度調節方式最大的區別在于增設了變頻器，變頻器的作用是根據實際需要輸出不同的電壓頻率，進而對電機的轉速進行調節。系統利用旋轉編碼器對電機輸出轉速進行檢測，并將檢測結果輸入到PLC 控制器中，控制器將電機實際轉速與系統設定轉速進行比較，若兩者之間存在差異，則下達控制指令對變頻器輸出電壓頻率進行調整。系統還設置有操作臺和控制監視系統，基于操作臺工作人員可以實現對變頻控制系統的人為操作與控制，可通過監視系統實時查看提升機的運行狀態。

圖1 提升機變頻控制系統總體方案示意圖

3 系統的硬件選型與軟件設計

3.1 系統的硬件選型

變頻控制系統涉及到的硬件類型有很多種，本文主要對最重要的控制器、變頻器以及旋轉編碼器的選型進行介紹。

1）PLC 控制器的選型。PLC 控制器是整個系統的大腦，需要對系統的運行狀態進行分析與處理，并下達控制指令。因此對控制器的性能要求相對較高。在充分考慮煤礦礦井實際情況的基礎上，電控系統最終選用2 套西門子的S7-400PLC 型控制器，此外還使用了兩臺6RA80 直流電樞傳動裝置及勵磁裝置。大量的實踐經驗表明該型號控制器在煤礦工業實踐中有很好的應用效果。控制器采用模塊化設計，最多可以拓展到32 個模塊，每個模塊可以實現不同的功能。因此S7-400 型PLC 控制器完全能夠滿足變頻控制系統的實際使用需要。

2）變頻器的選型。變頻器的輸入電壓頻率為恒定值50 Hz，但是可以根據實際需要對輸出的電壓頻率進行調整從而控制電機轉速。變頻器是本次提升機技術改造的重點內容，結合實際情況選用的變頻器型號為SB61G-75。該變頻器內部主要由兩個電路構成，分別為主電路和控制電路。在這兩個電路的綜合作用下可以將外界輸入的50 Hz 交流電壓轉變成為想要的電壓與頻率，并給電機供電。這種速度調節方式與傳統的串電阻模式相比較而言控制效率更高，能夠保證電機轉速和扭矩的平滑切換，在降低電機能源消耗的同時提升設備的使用壽命。

3）旋轉編碼器的選型。旋轉編碼器的作用是對電機輸出轉速進行實時檢測，并將檢測結果輸入到PLC 控制器中進行分析處理，是PLC 控制器輸出指令的重要依據。本系統中選用的旋轉編碼器型號為BQH12 型，屬于礦用本質安全型裝置，可以在甲烷、粉塵環境下穩定工作，保證速度檢測精度。

4）此外，提升機的閘控系統使用的是ST3-F 型西馬格特寶公司恒減速液壓操作盤式制動器，其由兩套完整的液壓站、一套電控系統組成。信號系統使用的是唐山東潤KTX-15 型雙PLC 控制信號系統。

3.2 軟件程序設計

圖2 所示為變頻控制系統軟件程序流程圖。從圖中可以看出，當系統開始運行后，首先需要進行初始化和自檢工作。初始化的目的是對各單元裝置設置進行歸零處理，自檢的目的是檢測各單元是否能夠正常運行。自檢時如果發現存在故障問題，則需要對故障進行處理后再啟動運行。如果一切正常，則系統開始按照設定的程序運行。提升機在整個運行過程中可以將其運行速度劃分成為6 個階段，分別為初加速、主加速、勻速、減速、爬行和制動等階段。不同階段的運行速度和加速度均存在一定差異，可以提前在控制系統中設定不同階段的運行速度及其加速度。軟件程序除按照提前設定的流程進行速度控制外，還需要檢測提升機系統運行時的典型故障問題，比如是否存在松繩、過卷和超速等問題。一旦出現上述問題，系統會發出報警提示并且下達指令對變頻器的輸出電壓頻率進行控制，進而實現提升機電機速度的調整，以解決上述問題。

4 變頻控制系統的調試與實踐應用

4.1 系統調試

圖2 變頻控制系統軟件程序流程圖

將本文設計的提升機變頻控制系統應用到煤礦實踐中，并對系統的運行性能進行調試，要求提升機的提升深度達到498.3 m，勻速階段和爬行階段的最大速度分別為10.5 m/s 和0.5 m/s。對提升機及其變頻控制系統進行調試時，在對應巷道內部設置深度指示傳感器、PLC 控制柜、變頻器以及配電柜等，在安裝時不得對現場的正常生產造成影響。在布線時必須嚴格按照規范標準進行接地，同時要考慮抗干擾因素。經過實踐測試發現，設計的提升機變頻控制系統完全能夠滿足實際使用需要，可以對提升機的位置進行精確控制，誤差在±30 mm 范圍內，此外還能夠對提升機不同階段的運行速度進行準確控制，使速度誤差控制在0.5%范圍內。

4.2 節能效果分析

系統經過調試發現應用效果良好，因此將其運用到煤礦實踐中開展試運行工作。在試運行的兩個月時間內，對提升機的提升效率以及電能消耗情況進行了詳細統計。將統計數據與沒有使用變頻控制系統之前的數據進行分析對比。結果表明：未使用變頻控制系統前，提升機平均每度電可以提升的煤礦重量約為0.318 萬t，使用變頻控制系統后平均每度電可以提升的煤礦重量約為0.394 萬t。對比以上兩個數據可以發現，通過使用變頻控制系統每度電可以多提升0.076 萬t 的煤礦，節能效果顯著。另一方面，變頻控制系統的應用使得提升機在不同階段之間的速度切換更加順滑，對設備造成的沖擊更小。因此設備的故障率顯著降低，為煤礦企業節省了大量的維護保養成本。

5 結語

基于調試和試運行結果可以看出，本文設計的提升機變頻控制系統在實踐中取得了相對較好的效果，不僅能夠對提升機的位置和運行速度進行準確控制，同時還可以起到節能減排的效果，可以為其他礦井提供很好的借鑒。