提升機(jī)繼電器控制系統(tǒng)的改造及效果評(píng)價(jià)

李潤(rùn)平

（華陽新材料科技集團(tuán)五人小組管理部，山西 陽泉 045000）

引言

礦井提升機(jī)為僅次于帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸設(shè)備，其主要承擔(dān)著煤炭、物料甚至作業(yè)人員的運(yùn)送任務(wù)。在日常生產(chǎn)中，為保證煤礦煤炭的產(chǎn)出率，對(duì)應(yīng)工作面一般采用三班倒的工作模式，也就是說不論是地面還是工作面的設(shè)備均在時(shí)刻運(yùn)行中。提升機(jī)根據(jù)上行和下放需求使相應(yīng)的設(shè)備一直處于過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的電機(jī)處于頻繁的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行以及制動(dòng)系統(tǒng)不斷地切換制動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)。如何保證提升機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的可靠性和安全性是提升機(jī)運(yùn)輸效率高的關(guān)鍵[1]。因此，基于PLC控制器完成對(duì)傳統(tǒng)繼電器控制提升機(jī)控制系統(tǒng)的改造。

1 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)基本要求

提升機(jī)系統(tǒng)作為礦井生產(chǎn)的一大型機(jī)電系統(tǒng)，主要包括有機(jī)械部分和電氣部分，具體可劃分為電機(jī)、減速器、制動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)以及摩擦輪等組成。本文所研究的提升機(jī)為單繩纏繞式提升機(jī)，其具體行程為700 m，主要應(yīng)用于斜井。電氣控制系統(tǒng)為提升機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，其是保證設(shè)備運(yùn)輸效率和可靠性的關(guān)鍵。提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)必須能夠滿足設(shè)備的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，為適應(yīng)礦井高負(fù)荷的運(yùn)輸需求，提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)需滿足如下要求:

1）針對(duì)運(yùn)輸對(duì)象的不同，提升機(jī)在加速和減速階段的加/減速度均應(yīng)該滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求；

2）在實(shí)際運(yùn)輸過程的突發(fā)情況下，免不了設(shè)備在重載情況下啟動(dòng)[2]。因此，提升機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)具備良好的重載啟動(dòng)能力，并具備一定的過載能力；

3）提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸?shù)囊蠹皶r(shí)對(duì)設(shè)備的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)、平穩(wěn)的控制；

4）提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的機(jī)械特性能夠滿足在工況變化加大時(shí)不會(huì)對(duì)整機(jī)的運(yùn)輸速度造成較大的干擾；

5）為進(jìn)一步保證提升機(jī)的可靠性，其電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備一定的連鎖和安全保護(hù)功能。

2 提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1）目前，該礦提升機(jī)電氣系統(tǒng)采用繼電器控制為主，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢、控制不穩(wěn)定以及保護(hù)功能欠缺；而且，繼電器容易老化的缺陷無法適應(yīng)當(dāng)前礦井高負(fù)荷的平穩(wěn)運(yùn)輸需求；

2）當(dāng)前電控系統(tǒng)不具備定位提升機(jī)故障的功能，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)維修效率低，從而影響整個(gè)工作面的生產(chǎn)效果；

3）當(dāng)前電控系統(tǒng)無法將提升機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)反應(yīng)于調(diào)度部門，對(duì)高效管理不利；

4）當(dāng)前電控系統(tǒng)不具備根據(jù)工況對(duì)運(yùn)輸速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，存在耗能嚴(yán)重或者提升力矩不足的問題，導(dǎo)致提升效率低[3]。

針對(duì)提升機(jī)當(dāng)前存在的問題，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)的控制經(jīng)驗(yàn)，本文將基于PLC控制器設(shè)計(jì)可控硅調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造，初步擬定改造后系統(tǒng)的框圖如圖1所示：

如圖1所示，改造后提升機(jī)電控系統(tǒng)可基于深度指示器對(duì)罐籠的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可基于主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)輸速度的實(shí)時(shí)、平穩(wěn)控制；可基于監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 基于PLC改造后提升機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造

3.1 基于PLC控制器對(duì)電控系統(tǒng)改造

結(jié)合圖1中初步設(shè)計(jì)的提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)基于PLC控制器改造后的結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合該礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和改造后電氣控制系統(tǒng)的控制需求，為PLC電氣控制系統(tǒng)配置如圖2所示的硬件設(shè)備：

圖2 基于PLC改造后電控系統(tǒng)硬件框圖

如圖2所示，基于PLC對(duì)提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造后所配置的硬件設(shè)備包括有全數(shù)字主控臺(tái)、可控硅動(dòng)力制動(dòng)電源柜、高壓切向電制動(dòng)切換柜、制動(dòng)泵、潤(rùn)滑泵站、高壓開關(guān)柜以及智能型可控硅加速柜等[4]。

根據(jù)目前該礦井其他大型機(jī)電設(shè)備所選型PLC控制器的型號(hào)，針對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造也采用三菱FN2N系列的PLC控制器；根據(jù)提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的需求統(tǒng)計(jì)，對(duì)應(yīng)PLC輸入點(diǎn)包括有54個(gè)，對(duì)應(yīng)PLC輸出點(diǎn)包括有37個(gè)。而當(dāng)前市面上常用三菱PLC控制器的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)分別為32個(gè)。因此，為改造后電氣控制系統(tǒng)配置兩套PLC控制器。

結(jié)合提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸過程中的控制需求，設(shè)計(jì)如圖3所示的控制流程圖。

3.2 提升機(jī)可控硅調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)提升機(jī)在實(shí)際提升或下放過程中需根據(jù)實(shí)時(shí)工況對(duì)其提升或下放速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。目前，就提升機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)而言可通過直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。目前，工業(yè)中尤其是煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍的交流調(diào)速系統(tǒng)，而且工業(yè)中以變頻器為核心的交流變頻調(diào)速為主。但是，鑒于煤礦生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)惡劣，若對(duì)變頻器保護(hù)不當(dāng)容易影響設(shè)備的壽命，從而增加了改造成本[5]。因此，鑒于可控硅整流器具備體積小、效率高以及重量輕的特點(diǎn)，本文將在基于PLC控制器改造的基礎(chǔ)上基于可控硅整流器實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的調(diào)速控制。

結(jié)合提升機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖4所示的主控回路圖：

圖3 改造后提升機(jī)電氣控制流程圖

圖4 可控硅主控回路電路圖

如圖4所示，在實(shí)際控制過程中PLC控制器將控制信號(hào)分出8組，根據(jù)減速或者減速的控制需求對(duì)回路中的電阻和可控硅部分進(jìn)行截止操作。具體控制如下：當(dāng)提升機(jī)需加速時(shí)，將回路中的電阻全部切除；當(dāng)提升機(jī)需減速或者停機(jī)時(shí)，根據(jù)控制信號(hào)將可控硅整流器部分或者全部截止。

此外，基于可控硅整流器實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)實(shí)時(shí)、平穩(wěn)調(diào)速控制需求外，其還具備RS485通訊功能，即實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，從而可有效減少當(dāng)前基于變頻調(diào)速系統(tǒng)中必要的通訊電纜芯數(shù)，從而進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

4 提升機(jī)可控硅調(diào)速系統(tǒng)改造效果

傳統(tǒng)提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用空氣接觸器對(duì)回路進(jìn)行控制，該設(shè)備的功率為8.8 kW；而基于PLC控制器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)可控硅調(diào)速后所采用的可控硅調(diào)速硅的功率為0.35 kW。按照每天工作18 h、每年工作330 d計(jì)算，每年可節(jié)約電量約為8.8 kW×18 h×330-0.35 kW×18 h×330=45 441 kWh。

為驗(yàn)證提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸過程中是否能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速功能，對(duì)提升機(jī)從啟動(dòng)到停機(jī)一個(gè)循環(huán)的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，所參照的一個(gè)循環(huán)速度控制曲線如圖5所示。

采用本文基于PLC控制器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的可控硅調(diào)速系統(tǒng)后，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)得出提升機(jī)的速度控制曲線如圖6所示。

如圖6所示，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行改造后設(shè)備在整個(gè)循環(huán)階段可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速功能。

圖5 提升機(jī)理想速度控制曲線

圖6 提升機(jī)實(shí)際速度控制曲線