礦井提升機高壓變頻節(jié)能電氣控制系統(tǒng)

張 偉

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦提升機是礦山開采的重要設備之一，而電控系統(tǒng)是提升機的核心部分，電控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行對礦井的工作效率和安全生產(chǎn)起著決定性作用[1-5]。借助晉安辦發(fā)〔2018〕110 號文件，要求淘汰串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)的契機，某煤礦在西上莊煤礦項目主立井鑿井施工中，采用了由洛陽源創(chuàng)公司生產(chǎn)的JKD/GBP-NT 型高壓變頻器，大大提高了提升系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，工作效率明顯提升，節(jié)能效果顯著。本文從提升機電氣控制系統(tǒng)方向著手，旨在解決上述實際生產(chǎn)過程中所面臨的實際問題，實現(xiàn)提升機的節(jié)能生產(chǎn)。

1 鑿井施工中提升系統(tǒng)改造目的

某煤礦在西上莊煤礦項目回風井鑿井施工中，安裝使用2JK-4×2.1 型礦用提升機，最大提升負荷160 kN，提升速度5.2 m/s，電機功率1 000 kW。為了改善鑿井施工中提升系統(tǒng)的安全性，將原使用的串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)改造為高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，該方式可大大簡化工作程序，節(jié)約能源，顯著提升工作效率[6-9]。

2 提升機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能要求

礦井提升機高壓變頻電控系統(tǒng)有兩個子系統(tǒng)，分別為PLC 控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 PLC 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)需用雙PLC 網(wǎng)絡化控制，主控PLC 完成提升機的啟動—加速—等速—減速—爬行—停車的整個過程控制及各項保護功能，輔控PLC 協(xié)助主控PLC 完成過程控制并具有獨立的必要保護功能。主控、輔控PLC 間通過網(wǎng)絡通信相互交換數(shù)據(jù)并互相監(jiān)視實現(xiàn)雙線制控制，控制系統(tǒng)應具備應急開車功能，當PLC 發(fā)生故障時，能夠低速運行，這對施工企業(yè)有人員提升系統(tǒng)的尤為重要。雙PLC 控制系統(tǒng)的主要特征如下：

1）選用兩套PLC 互為CPU 冗余控制，主、輔PLC之間相互通信及監(jiān)視，操作過程實現(xiàn)雙線控制方式，對提升機運行關鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等）均采用雙線制或多線制保護，互為監(jiān)視。

2）具有三條安全保護回路，其中軟件安全回路兩條、硬件安全回路一條。多條安全保護回路之間互相冗余，保證礦井提升機的高效、安全運轉(zhuǎn)。輕重故障具有聲光報警或預報警。

3）PLC 故障應急開車的情況下，硬件安全回路起作用。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機形式，上位計算機與PLC網(wǎng)絡通信，在調(diào)試期間可作為PLC 的編程器，在設備正常運行期間起到監(jiān)控的作用，提供實時顯示、記錄、報表等，配有WinCC 軟件平臺、全漢字界面。監(jiān)控軟件實現(xiàn)以下功能：提升機系統(tǒng)動靜態(tài)畫面生成；具有對提升機系統(tǒng)發(fā)生的輕重故障進行診斷和保存，實現(xiàn)綜合后備保護功能；能顯示故障發(fā)生的位置、時間、原因以及故障前的有關數(shù)據(jù)參數(shù)，對深度、速度實時值，提升種類，信號情況進行實時顯示并記錄，相當于飛機上的“黑匣子”。

3 提升機高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的現(xiàn)場應用

西上莊煤礦項目主立井鑿井施工礦用提升機電控系統(tǒng)，選用洛陽源創(chuàng)電氣有限公司生產(chǎn)的JKD-NT-GBP-FVA-1600kW/10（6）-6kV-200A 型網(wǎng)絡化提升機成套電控系統(tǒng)。洛陽源創(chuàng)電氣有限公司是國內(nèi)高壓變頻器較優(yōu)秀的廠家之一，技術先進、抗干擾能力強，變頻器控制電路板、功率單元等核心部件廠家均可自行生產(chǎn)，產(chǎn)品性價比較高，符合某煤礦實際使用要求。

該設備專有技術特點是零速電氣安全制動，其可在液壓制動系統(tǒng)失靈的情況下，靠零速電氣安全制動，能夠避免高速過卷事故。

3.1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主系統(tǒng)部分

高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是通過PLC 編程控制和高壓變頻器二者結(jié)合組成的。在該系統(tǒng)運行過程中，輸入6/10 kV 的高壓交流電，通過移相變壓器將高壓電源轉(zhuǎn)換成15 組600 V 低壓電源，給高壓變頻器功率單元供電，并通過IGBT 驅(qū)動板控制功率單元使頻率轉(zhuǎn)換后輸出符合要求的電壓、電流。電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)輸出頻率隨時調(diào)整，這種功能通過PLC 的計算機編程和高壓變頻器的相互結(jié)合來共同實現(xiàn)，提升煤礦提升機整體速度的調(diào)控水平。

3.2 PLC 控制部分

PIC 控制編程部分是整個提升機的靈魂，對機器的穩(wěn)定運行起著決定性作用。選用德國西門子S7-1500 型PLC 的主要原因是該設備運行穩(wěn)定、操作簡單易懂，在市場上備受歡迎，應用較廣。該系統(tǒng)是實現(xiàn)指令傳輸和實時監(jiān)控的重要控制平臺，其工作原理是通過PLC 的指令控制和監(jiān)控系統(tǒng)使煤礦提升機的運行路線沿S 形曲線合理運轉(zhuǎn)。使用光電編碼器進行提升容器位置、速度的檢測，并由上位監(jiān)控系統(tǒng)顯示。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過卷、過速、過負荷、欠電壓、限速及測速斷線保護；實現(xiàn)對急停、通信故障、定點過速、錯向運行、溜車、松繩等故障的檢測，其中過卷、過速、限速、減速等實現(xiàn)相互獨立的雙線或多線保護。整個過程一旦發(fā)現(xiàn)問題，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時提醒，避免現(xiàn)場出現(xiàn)重大安全事故，為職工的生命安全保駕護航。

4 預期效果及展望

1）采用PLC 控制變頻調(diào)速的礦井提升系統(tǒng)，避免了原來轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)試系統(tǒng)金屬電阻燒毀嚴重、電控間溫度極高所造成的能源浪費。兩套PLC 進行冗余保護，避免單套損壞造成礦井停產(chǎn)，保護功能齊全，除了能滿足2016 版《煤礦安全規(guī)程》對提升機保護裝置設置要求外，另加了多種保護功能，并且大多為雙線保護。

2）使用PLC 控制調(diào)速系統(tǒng)后，提升機司機誤操作減少，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠，抗干擾性能大為提高。

3）滿足了礦井數(shù)字化對提升系統(tǒng)的要求，為煤礦的統(tǒng)一管理、遠程監(jiān)控提供了技術支持，具有很好的推廣價值。

4）節(jié)約電能20%～30%，且調(diào)速曲線平滑，對電網(wǎng)有利，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

5）減輕了維運技術人員工作量，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了安裝調(diào)試成本，經(jīng)濟效益可觀。

5 結(jié)語

隨著科技的不斷進步，煤礦提升機控制由傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速到轉(zhuǎn)子變頻，再到國產(chǎn)高壓變頻的研發(fā)，走過一個艱難的過程。通過采用可編程控制器PLC與高壓變頻器有效結(jié)合的方案，實現(xiàn)提升機的自動化控制和故障顯示。經(jīng)某煤礦在西上莊煤礦回風井項目實踐證明，煤礦提升機PLC 高壓變頻節(jié)能控制系統(tǒng)切實可行，能夠有效提高控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、抗干擾能力和控制精度，確保煤礦提升機的正常運行，實現(xiàn)提升機的節(jié)能生產(chǎn)。