煤礦提升機電氣控制系統的設計

李 劍

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 晉中 045300）

引言

提升機運行的可靠性和穩(wěn)定性在很大程度上由其電控系統所決定[1]。傳統提升機采用異步電機轉子回路串聯電阻的方式進行調速運行，該種調速方式存在可靠性差、提升性能差以及維修成本高等問題，導致在實際生產過程中提升機遇到載荷突變時無法及時對其提升速度進行平穩(wěn)調節(jié)。故設計一套高性能的電氣控制系統，為保證綜采工作面的產煤效率及安全性提供保障。

1 提升機電氣控制系統總體方案的設計

提升機提升性能的關鍵在于其電氣控制系統的性能。經調研，目前應用于電氣控制系統的核心處理器為PLC控制器，調速系統為變頻調速系統。因此，本文將基于PLC控制器設計一套可變頻調速的電氣控制系統。該電氣控制系統的總體結構如圖1所示。

如圖1所示，提升機電氣控制系統包括主控系統、輔助控制系統以及監(jiān)控系統。

為進一步提升系統的安全性和可靠性，本系統采用PLC冗余設計，即采用兩頭PLC控制器。其中，一套PLC控制器主要實現對提升系統的控制，包括提升、閉鎖等操作；另一套PLC主要對現場設備的運行情況進行監(jiān)測[2]。變頻調速系統主要根據工況實現對系統速度的平穩(wěn)調節(jié)。制動電源主要為系統的制動提供能量。監(jiān)控系統主要是對現場所采集到的系統的運行狀態(tài)進行實時顯示。

本文以其主控系統為研究對象，并對其中的PLC控制箱和變頻調速控制柜進行重點研究。

圖1 提升機電氣控制系統結構框圖

2 提升機電氣控制系統硬件的設計

電氣控制系統的硬件主要包括PLC控制器的選型設計、變頻調速系統以及通信系統的硬件設計。

2.1 PLC控制器硬件的設計

2.1.1 PLC控制器的選型設計

針對提升機在實際生產過程中遇到載荷突變時無法及時對其提升速度進行平穩(wěn)調節(jié)工況的需求，并結合以往選用PLC控制器的經驗，選擇PLC的型號為西門子S7-300系列。S7-300PLC控制器電路的結構框圖如圖2所示。

圖2 S7-300PLC控制器結構框圖

如圖2所示，PLC控制器的核心部件為CPU模塊、電源模塊和通信接口。其中CPU模塊主要將現場采集到的數據進行分析處理后輸出到對應的控制程序，并對電控系統的相關程度和指令進行存儲。通信接口主要用于實現上位機與下位機之間的通信[3]。電源模塊主要為控制器提供其運行所需的能量。

2.1.2 PLC控制器的冗余設計

為提高提升機電氣控制系統的可靠性和安全性，該電氣控制系統采用雙冗余設計，即采用兩套PLC控制器。其中，一套PLC主要實現對提升系統的控制，包括提升、閉鎖等操作；另一套PLC主要對現場設備的運行情況進行監(jiān)測?；陔p冗余設計的PLC的接口數量統計如表1所示。

基于雙冗余設計的安全回路有兩種。其中一路是基于繼電器開關串聯組成的硬件安全回路；另外一路為基于PLC的安全回路。

表1 PLC接口數量統計表

2.2 變頻調速系統的設計

變頻調速系統是確保當提升機遇到突變載荷時能夠實現平穩(wěn)調速，能夠根據實際提升任務要求給以匹配的速度提升。結合該工作面日常生產的提升任務，選用交直交的變頻調速方案[4]。結合現場提升任務并充分調研市場的基礎上，所選變頻調速裝置的型號為西門子公司的SM1500系列的電壓源型交直交變頻調速器。

為進一步提升變頻調速系統的響應特性和調速精度，為該變頻調速器配置二極管鉗位三電平、IGBT功率器件以及SVPWM的適量控制方式。

2.3 通信協議的設計

為確保上位機與下位機通信的可靠性和穩(wěn)定性，本電氣控制系統采用多點接口MPI通信協議?；诙帱c接口MPI通信協議可實現傳播速度最大為12 MB/s、最小為19.2 kB/s的傳輸[5]。

3 提升機電氣控制系統軟件的設計

根據提升機的實際運行工況，其電氣控制系統主要包括有輔機啟動、開車準備、安全回路以及機車操作等環(huán)節(jié)。

3.1 輔機啟動

提升機電機在啟動之前必須確保系統中的油泵、制動裝置等輔機已全部啟動。即，輔機啟動完成對潤滑油泵、液壓油泵以及制動裝置的啟動工作。

3.2 提升機啟動條件判斷

提升機電機啟動前需自檢是否滿足啟動要求。具體判斷條件為：油泵、制動裝置等輔機是否已全部驅動；聯鎖控制手柄和聯鎖手柄是否已全部處于零位等。當提升機自檢到滿足所有自檢條件時，提升機電機可立即啟動。

3.3 安全回路

當提升機在運行過程中出現故障時，硬件安全回路會進行立即停車操作；軟件安全回路會根據故障類型發(fā)出報警。當系統中的故障得到解決后，其相應的報警也會隨之解除。

3.4 提升機的控制

為提升提升機對現場工作面的適應性，其提升操作可實現手動和自動控制方式。自動控制是基于PLC控制器實現的，主要對提升機的提升方向進行判斷并執(zhí)行，其對應的程序流程如圖3所示。

圖3 提升機方向判斷與執(zhí)行程序流程圖

4 提升機電氣控制系統性能的測試

為驗證本文所設計提升機電氣控制系統的控制性能，基于上述硬件和軟件設計內容搭建提升機電氣控制系統試驗機，并按照實際生產要求完成接線檢查、供電等操作，并對其在空載工況下的性能進行驗證。驗證結果如圖4所示。

圖4 驗證結果

分析圖5可知，在空載運行工況下提升機在啟動階段電流的沖擊較小，避免了由于大電流波動對設備造成的沖擊，且系統提升機輸出電流在極短的時間內達到平穩(wěn)狀態(tài)；在空載運行工況下，提升機轉速的超調量較小，且在系統啟動后0.4 s左右達到平穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，本文所設計的提升機電氣控制系統的控制性能能夠滿足實際生產的需求，在啟動階段不會對設備造成沖擊，且能夠在極短時間內完成對系統平穩(wěn)性的調整。

5 結語

提升機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，其穩(wěn)定性和可靠性直接決定綜采工作面的產煤效率和安全性。為提升提升機電控系統的控制性能，將雙PLC冗余設計及變頻調速裝置引入其電控系統中，在確保提升機可靠、安全生產的同時，為其在載荷突變的情況下提供平穩(wěn)調速的功能，為實現煤礦提升系統節(jié)能、高效生產奠定基礎。