礦井提升機直流控制系統的研究

馬紅兵

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦運輸區大巷維護隊，山西 太原 030022）

0 引言

提升機為煤礦生產的主要運輸設備之一，其主要承擔煤炭、矸石、設備以及人員的運輸任務，其可靠性和安全性直接決定其提升效率，而傳統的提升機電控系統存在故障率高、線路老化嚴重、耗電量大、后期維護困難以及設備嚴重老化等問題[1]。因此，為實現礦井提升機電氣控制系統網絡化、智能化、信息化控制，在調研當前國內外提升機電控系統應用現狀的基礎上，擬將直流調速控制系統應用于提升機中。

1 提升機直流調速控制系統的總體設計思路

以官地煤礦的豎井提升機（JKM-2.8×4）為例，該提升機最大提升速度為8.473 m/s，其他關鍵參數如表1所示。

表1 JKM-2.8×4提升機關鍵參數

對于礦井提升機電氣控制系統，首先需保證其能夠根據提升機負載的變化對提升速度和方向進行控制，即滿足四象限運行要求，其次要求其能夠根據所提升對象采用對應的提升速度，具備平滑調速功能。

結合當前工業自動化系統的整體結構形式和官地煤礦的具體情況，采用直流電機對提升機進行控制。采用“3+2”的網絡結構作為提升機直流調速控制系統的結構形式，其中，“3”為直流調速控制系統的設備層，包括執行層（與提升機相關的現場設備主要以傳感器、執行機構為主）、控制層（直流控制系統的核心）、管理層（數據監測站和服務器等），“2”為直流調速控制系統的網絡層，即實現設備層之間的相互通信，執行層與控制層之間的通信網絡為控制網絡，控制層與管理層之間的通信網絡為監控網絡[2]。自20世紀80年代中后期以來，國內外對提升機傳動裝置的研究已經取得了初步進展。鑒于礦井提升機的電氣控制對系統的抗干擾能力、控制精度和控制性能要求較高，對比各種調速裝置的優劣性，全數字直流調速裝置具有如下特點[3]：一是具備自主設定參數的功能；二是可采用數字量和模擬量兩種數據模式進行控制；三是對控制系統電流和電壓可實現高精度檢測；四是具備與其他調速裝置、PLC控制器和上位機通信的能力；五是能夠對提升機的運行參數進行實時監測，并具備自適應和自學習的功能；六是可通過上位機或者相關調試軟件對相關參數進行遠距離修改、設定等。

本文將采用全數字直流調速裝置作為核心，實現對提升機的直流調速控制，具體型號為DCS系列的四象限全數字直流調速裝置。

由理論分析可知，當提升機處于下放工況時，提升機對應的轉矩最大，配套電機的電流也最大。因此，本節以提升機額定負載工況為例，對DCS系列四象限全數字直流調速裝置的容量進行選擇。鑒于篇幅原因，此處僅列出計算結果。經計算，與全數字直流調速裝置相匹配的整流變壓器的容量為6 320 kVA，其對應全數字直流調速裝置的具體型號為DCS600，主回路中的電樞整流裝置和勵磁整流裝置的具體選型結果如表2所示。

由于DCS600系列全數字直流調速裝置具備對所控制設備運行參數實時監測的功能，結合提升機的運行工況，要求直流調速裝置可對提升機的運行方式、不同負載下勵磁和電樞電流值、提升罐籠的位置等參數進行實時顯示。此外，還需對已停車提升機液壓控制回路中的油壓進行監測。

表2 主回路整流裝置選型結果

2 提升機直流調速控制系統的軟硬件設計

2.1 硬件設計

結合前文中所提出的提升機電氣控制系統“3+2”的網絡結構，本方案采用PROFIBUS-DP現場總線技術實現執行層、控制層和管理層的通信，其具體的網絡結構如圖1所示。

圖1 提升機電氣控制系統“3+2”網絡結構示意圖

如圖1所示，上位機通過PROFIBUS現場總線技術實現與監控PLC控制器、信號PLC控制、遠程I/O、觸摸屏以及DCS600系列的四象限全數字直流調速裝置之間的通信。其中，監控PLC控制器是對提升機各運行參數信號處理的核心，信號PLC控制器是對提升機電機運行參數監控處理的核心，觸摸屏是顯示提升機及電機實時工作參數的裝置，DCS600系列四象限的全數字直流調速裝置是實現對提升機速度進行平滑、實時控制的核心[4]。

結合提升機實際控制需求，本方案中所選型PLC控制器為S7-300系列。直流調速控制系統的其余硬件選型如表3所示。

2.2 軟件設計

根據提升機的實際運行工況，設計如圖2所示的主控制程序。

如圖2所示：系統在運行的初始化階段需對安全回路是否能夠正常運行進行檢查，若回路不正常需對其進一步檢查直至確認為正常后才可發出開車指令；系統接收到開車指令后結合當前提升機的負載、罐籠的位置等實時參數計算本次提升任務的距離、速度以及加速或減速的時間段；根據不同的運輸任務，當罐籠到達加速位置或者減速位置時發出加速或者減速的指令。期間，當提升機的運行狀態與實際計算值出現較大偏差時，系統會發出報警信號并立即停機[5]。

3 結論

1）以DCS600系列四象限直流調速裝置為核心，可實現對提升機速度的控制；

2）配置DCS602-1503-51電樞整流裝置和DCF601-0050-51勵磁整流裝置，可對提升機的運行方式、不同負載下勵磁和電樞電流值、提升罐籠的位置等參數進行實時顯示；

表3 直流調速控制系統硬件選型

圖2 提升機直流調速控制系統主控制流程圖

3）根據提升機的控制要求設計的主控制程序，在提升機的運行狀態與實際計算值出現較大偏差的情況下，系統會發出報警信號并立即停機。