礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

崔世杰， 曹永愛， 郭 凱

（山西科達(dá)自控股份有限公司， 山西 太原 030006）

引言

提升機(jī)是集電器、液壓、機(jī)械于一體的礦用生產(chǎn)設(shè)備，主要作用為在地面與礦井之間進(jìn)行人員與貨物的運(yùn)輸，是礦山生產(chǎn)開采中不可獲取的設(shè)備。作為礦井與地面運(yùn)輸聯(lián)系的唯一紐帶，提升機(jī)生產(chǎn)作用的重要性與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行，對于煤炭企業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)采用繼電器、接觸器進(jìn)行控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路連接電阻進(jìn)行調(diào)速啟動(dòng)的控制方法，該方法運(yùn)行效率低、安全可靠性差、操作復(fù)雜、易發(fā)生故障，已無法適應(yīng)煤炭開采企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求[1-5]。本文提出運(yùn)用可編程控制與變頻器結(jié)合的提升機(jī)控制方法，增強(qiáng)提升機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性，提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 礦用提升機(jī)工作過程分析

礦用提升機(jī)的使用過程主要分為起步、加速、平速、減速、爬坡、停止六個(gè)階段，其運(yùn)行速度與時(shí)間的變化規(guī)律如圖1 所示。對提升機(jī)的控制其實(shí)就是對設(shè)備運(yùn)行速度與轉(zhuǎn)矩的控制。本文擬運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩的方法對提升機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制可直接通過定子坐標(biāo)系計(jì)算出轉(zhuǎn)矩與磁通，然后對逆變器的電壓、頻率等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，即可對轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩的方法響應(yīng)迅速，不受電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)影響，可進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償與自適應(yīng)運(yùn)行，針對電機(jī)起步時(shí)輸出扭矩不夠的問題可起到良好的優(yōu)化作用。

圖1 礦用提升機(jī)運(yùn)行變化規(guī)律示意圖

提升機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

式中：Td為總轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；Ti為固有轉(zhuǎn)矩，N·m；Tn為傳動(dòng)輪力矩，N·m；J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N·m2；g 為重力加速度，m/s2；?為提升系統(tǒng)加速度，m/s2。

2 礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

2.1 可編程控制器（PLC）選型

本設(shè)計(jì)采用可編程控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制。可編程控制器可通過安裝在卷筒、電機(jī)等部位上編碼器采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，得出轉(zhuǎn)速后實(shí)現(xiàn)速度位置反饋；可通過液壓站與潤滑站的溫度與油壓采集，數(shù)據(jù)通過A/D 轉(zhuǎn)換后可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障監(jiān)測。可編程控制器可依據(jù)傳感器與開關(guān)信號的信息反饋輸出模擬信號控制變頻器轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，同時(shí)將故障與運(yùn)行狀態(tài)向上位機(jī)反饋，方便管理人員了解提升機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。可編程控制器控制程序分半自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制模式，操作人員可依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況自行選擇控制方式。可編程控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 可編程控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

可編程控制器需符合系統(tǒng)控制要求，在模擬量、輸入開關(guān)量與輸出開關(guān)量等各點(diǎn)數(shù)量應(yīng)有余量，以便日后系統(tǒng)優(yōu)化。模擬量的輸入需配合具備精準(zhǔn)A/D 模塊、快速運(yùn)算和準(zhǔn)確編碼采集的高速計(jì)算器。經(jīng)研究，西門子公司的S7-300PLC 符合設(shè)計(jì)要求。S7-300PLC 具有運(yùn)算力強(qiáng)、速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，具有故障自我診斷、程序保護(hù)等功能，適用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 變頻器選型

由于提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)為速度小、負(fù)載大，因此提升機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)有瞬間電流過大的現(xiàn)象。在選擇變頻器時(shí)容量應(yīng)比平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)高出一級。經(jīng)分析，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：轉(zhuǎn)速800 r/min，轉(zhuǎn)矩800 N·m，額定功率90 kW，額定電流267 A。ABB 公司的ACC600專用變頻器符合上述要求，其原理圖如圖3 所示。

圖3 提升機(jī)專用變頻器原理示意圖

ACC600 專用變頻器具有斷電保護(hù)、辨識(shí)、較大啟動(dòng)扭矩、直流抱閘、積分加減速、速度反饋、堵轉(zhuǎn)等功能，可保證提升機(jī)安全停車并保護(hù)電路。變頻器接收PLC 的指令信號以后，通過設(shè)備運(yùn)算可得出控制電壓，通過收集指令，確定提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 安全保護(hù)回路設(shè)計(jì)

安全保護(hù)回路是礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，是控制系統(tǒng)安全性能的重要保障。本文采用雙安全回路設(shè)計(jì)，一個(gè)越過PLC 程序控制，通過硬件進(jìn)行回路保護(hù)，稱為硬件保護(hù)；另一個(gè)為運(yùn)用PLC程序進(jìn)行保護(hù)，稱為軟件保護(hù)。依據(jù)實(shí)際故障的發(fā)生情況，當(dāng)故障為重故障時(shí)，重故障信號發(fā)出直接越過PLC，并傳輸至繼電器，通過繼電器完成緊急制動(dòng)；當(dāng)故障為輕故障信號時(shí)，則運(yùn)用PLC 故障處理程序進(jìn)行故障處理，系統(tǒng)將運(yùn)行完本個(gè)生產(chǎn)周期，完成周期運(yùn)行后實(shí)行回路保護(hù)。安全保護(hù)回路系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 安全保護(hù)回路系統(tǒng)

2.4 信號采集回路設(shè)計(jì)

信號采集回路共分為行程開關(guān)、溫度與壓力傳感器、編碼器三部分。行程開關(guān)的安裝位置在井筒處，具體安裝開關(guān)種類為：上下終端開關(guān)、上下過卷開關(guān)、上下減速點(diǎn)開關(guān)、上下深度校驗(yàn)開關(guān)、中間深度校驗(yàn)開關(guān)；溫度與壓力傳感器需在潤滑站、液壓站、潤滑泵、制動(dòng)泵附近安裝，測量相應(yīng)位置的溫度與壓力信息；編碼器應(yīng)在電機(jī)軸、卷筒以及天輪上進(jìn)行安裝，通過收集電機(jī)軸、卷筒以及天輪的脈沖信號來判斷其運(yùn)行狀態(tài)是否存在故障。同時(shí)，編碼器收集的信息還可通過計(jì)算得出提升機(jī)的行駛速度以及運(yùn)行位置，判斷提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并將信息反饋回上位機(jī)，提升管理人員對提升機(jī)的有效控制。編碼器還可代替深度指示器，避免深度指示器的弊端。

3 系統(tǒng)測試

按上述設(shè)計(jì)將“可編程控制+變頻器”組合的控制方法應(yīng)用于礦用提升機(jī)并進(jìn)行相應(yīng)的測試后發(fā)現(xiàn)，礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)操作簡單、使用方便、運(yùn)行安全，可靠性大大提升，提升了礦用提升機(jī)的使用效率，解決了提升機(jī)起步運(yùn)行溫度和扭矩不足問題。經(jīng)500 h 連續(xù)試運(yùn)行測試后，礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)無故障發(fā)生，可運(yùn)用于實(shí)際煤礦生產(chǎn)之中。

4 結(jié)論

礦用提升機(jī)是煤礦企業(yè)生產(chǎn)中重要的運(yùn)輸設(shè)備，對于企業(yè)的高效安全生產(chǎn)至關(guān)重要。本文針對傳統(tǒng)提升機(jī)控制系統(tǒng)存在的運(yùn)行效率低、安全可靠性差、操作復(fù)雜、易發(fā)生故障等問題進(jìn)行了針對性研究分析并進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)研究分析得出以下結(jié)論：

1）運(yùn)用直接轉(zhuǎn)矩的方法，電機(jī)可通過變頻器按照速度曲線規(guī)律實(shí)行速度調(diào)控，并有效解決電路起步轉(zhuǎn)矩較低的問題。

2）運(yùn)用“可編程控制+變頻器”組合的控制方法可有效解決運(yùn)行效率低、安全可靠性差、操作復(fù)雜、易發(fā)生故障等問題，并經(jīng)500 h 連續(xù)運(yùn)行測試，礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)無故障發(fā)生。