礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

于 暢

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司公用事業(yè)分公司， 山西 太原 030053）

引言

煤礦提升機(jī)是煤炭提升的重要設(shè)備，提升機(jī)電控系統(tǒng)關(guān)系著煤礦提升效率和工作人員的安全，為此，諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)方面的研究。梁秀春通過(guò)對(duì)煤礦提升機(jī)的電控系統(tǒng)組成部分的介紹，對(duì)其形成整體認(rèn)知；通過(guò)對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀介紹，明確了其諸多優(yōu)勢(shì)；針對(duì)基于PLC 應(yīng)用的現(xiàn)有問(wèn)題，提出了改進(jìn)煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行的措施，從而為煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展提供一個(gè)新的方向[1]；李劍峰、魏宗楠仔細(xì)分析了變頻器在煤礦主、副井提升機(jī)中的使用與改造狀況，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，效果可觀[2-3]；宋振海簡(jiǎn)述了PLC 技術(shù)在煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)中的控制原理, 結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)PLC技術(shù)在煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì), 基于PLC 技術(shù)的煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)大大提高了煤礦的生產(chǎn)效率[4]；孫振鵬、王建軍等詳細(xì)分析了煤礦提升機(jī)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)改造，通過(guò)實(shí)踐，提高了煤礦生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量[5-6]。本文在已有的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了提升機(jī)電控系統(tǒng)改造思路，同時(shí)對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，可供后續(xù)研究參考。

1 提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造思路

礦井提升機(jī)是煤炭提升運(yùn)輸?shù)闹匾獧C(jī)械設(shè)備，提升機(jī)電控系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著煤炭提升速率，目前，礦井提升系統(tǒng)多采用繼電器與接觸器和串聯(lián)電阻調(diào)試相配合的方式進(jìn)行控制。

此種調(diào)試方式調(diào)控精度低、保護(hù)措施不足且較單一、提升機(jī)運(yùn)行速度不易控制，現(xiàn)場(chǎng)工作人員只能靠經(jīng)驗(yàn)依據(jù)動(dòng)力制動(dòng)和轉(zhuǎn)子電阻的配合才能實(shí)現(xiàn)控制，但是也很難實(shí)現(xiàn)精確控制；在電氣控制系統(tǒng)中，電器元件間如繼電器以及接觸器等元件因?yàn)殡姶艌?chǎng)的影響以及觸電接觸反應(yīng)較慢等原因，導(dǎo)致電磁慣性大，機(jī)械反應(yīng)慢，因此系統(tǒng)的精度較低，也是因?yàn)樯鲜鲈?，煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造也顯得尤為重要。

根據(jù)礦井提升系統(tǒng)的改造要求，提升系統(tǒng)的基本設(shè)備中需包括電氣系統(tǒng)智能化控制臺(tái)、高壓饋電開關(guān)柜、高壓換向電制動(dòng)切換柜、可控硅動(dòng)力制動(dòng)電源柜、智能型可控硅加速柜以及潤(rùn)滑泵站等設(shè)備，圖1 為提升機(jī)電控系統(tǒng)的硬件配置示意簡(jiǎn)圖。

圖1 提升機(jī)電控系統(tǒng)的硬件配置

煤礦電氣系統(tǒng)的控制中心核心由PLC 電氣系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)上位機(jī)構(gòu)成，相同，其軟件也是由PLC 控制軟件和電氣系統(tǒng)上位機(jī)軟件構(gòu)成。其中，PLC 軟件的主要功能是控制提升機(jī)的啟動(dòng)、停止以及加速等動(dòng)作，改善提升機(jī)電控系統(tǒng)需從PLC 軟件入手。

礦井根據(jù)自身產(chǎn)煤量以及提升控制系統(tǒng)的差異設(shè)計(jì)PLC 軟件結(jié)構(gòu)，而礦井的控制系統(tǒng)并不是一個(gè)單獨(dú)的大系統(tǒng)，而是由眾多提升控制的子系統(tǒng)構(gòu)成，因此再對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)模塊的設(shè)計(jì)中，礦井多采用日本三菱FX2N 系列可編程控制器，通過(guò)安全雙線設(shè)計(jì)原則，結(jié)合多種檢測(cè)模塊完成設(shè)計(jì)運(yùn)算，配以提升動(dòng)作、控制實(shí)踐以及控制速度等完成設(shè)計(jì)計(jì)算。

在控制系統(tǒng)控制器中，PID 算法是最為常見(jiàn)的，該方法適用于簡(jiǎn)單的控制過(guò)程設(shè)計(jì)計(jì)算中，但是如果基于提升系統(tǒng)整定PID 的話，礦井提升系統(tǒng)的建立和保護(hù)就變得非常麻煩了。在礦井電氣系統(tǒng)中，提升電氣控制系統(tǒng)往往需要給予補(bǔ)償信號(hào)，這就使得電氣過(guò)程擾動(dòng)嚴(yán)重，因此電氣系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整就變得異常艱難。

基于此，需進(jìn)行自整定PID 依據(jù)擾動(dòng)過(guò)程中負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，礦井電氣系統(tǒng)的控制器干涉效應(yīng)的難度變化則不需要調(diào)整，此外，因?yàn)殡姎庀到y(tǒng)沒(méi)有成熟穩(wěn)定的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，所以參數(shù)的變化設(shè)置也難以確定。

模糊控制考慮了礦井電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，在煤礦電氣控制中必須保證提升機(jī)運(yùn)動(dòng)的精度，出于對(duì)系統(tǒng)的性能以及控制器穩(wěn)定因素的考慮，只能根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)礦井電氣系統(tǒng)中的模糊關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。

2 提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造

1）礦井提升電氣系統(tǒng)控制方法從之前的交流系統(tǒng)改為直流系統(tǒng)，以保證礦山的安全，兩組驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用于驅(qū)動(dòng)提升電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，礦井提升電氣系統(tǒng)的整流器電動(dòng)提升和速度控制電路用于6 脈沖電源。礦井提升電氣系統(tǒng)的可逆閥和主電機(jī)可以工作在4 個(gè)象限中，電樞可逆回路示意圖如圖2 所示。

圖2 電樞可逆回路示意圖

2）提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用智能數(shù)字化的西門子控制設(shè)備，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)電控系統(tǒng)的智能化控制，方便工人操作，也極大地改善了工作環(huán)境，系統(tǒng)出現(xiàn)差錯(cuò)的時(shí)候也能快速的排查。

3）利用兩個(gè)PLC 控制并保護(hù)提升電氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，將軸代碼和PLC 連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)實(shí)時(shí)曲線判斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4）兩套安全回路分別保證電氣提升系統(tǒng)和繼電器系統(tǒng)的安全。

5）在主機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)顯示提升數(shù)據(jù)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)故障信息。

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中的恒減速液壓站閥門的動(dòng)作受到PLC 編程程序的控制，一般來(lái)說(shuō)，礦井提升電氣系統(tǒng)閥門的正常電壓為9 MPa，當(dāng)提升機(jī)進(jìn)行減速或者剎車動(dòng)作時(shí)，壓力可降為5 MPa，可能導(dǎo)致閥門無(wú)法打開以及突然制動(dòng)等現(xiàn)象；蓄電器內(nèi)油壓也得不到維持；礦井提升電氣系統(tǒng)的油泵起動(dòng)后開車指令未發(fā)出，偶爾會(huì)發(fā)生毫安表自動(dòng)升起開閘現(xiàn)象。

液壓站是礦井提升機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)改造的重要組成部分，液壓站、盤形制動(dòng)器、電控系統(tǒng)共同組成了液壓控制系統(tǒng)，共同起到了保障安全制動(dòng)的作用，液壓站動(dòng)作原理圖如圖3 所示。

圖3 液壓站動(dòng)作原理圖

對(duì)于提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造，將井下主風(fēng)扇以及副風(fēng)扇的電機(jī)全部變換為變頻電機(jī)，且選用進(jìn)口SKF 軸承。因?yàn)殡娍叵到y(tǒng)的風(fēng)扇發(fā)熱嚴(yán)重，所以需要在電控系統(tǒng)的變壓器上加上通風(fēng)機(jī)來(lái)加大散熱，保護(hù)機(jī)器設(shè)備的良好性。逐漸淘汰井下電控系統(tǒng)中的零序保護(hù)器。井下電控系統(tǒng)的變頻器為了防止漏電以及外界輻射的干擾需將變頻器的系統(tǒng)接地，所以電控系統(tǒng)接地的目的主要是降低設(shè)備的噪音，防止電磁的干擾，將井下提升電控系統(tǒng)變頻器電機(jī)負(fù)荷線與控制回路的電纜分開敷設(shè)，并將井下提升電控系統(tǒng)變頻器電機(jī)負(fù)荷線加裝合適的屏蔽套管。電控系統(tǒng)變頻器的電線需安裝合適的屏蔽套管，減少外界的干擾。將電控系統(tǒng)中監(jiān)控以及上位機(jī)等設(shè)備都用屏蔽電纜敷設(shè)，且設(shè)備與變頻器的距離不應(yīng)小于9 m，同時(shí)對(duì)井下振動(dòng)變頻器加屏蔽護(hù)套。