礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計研究

秦紅強

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041600）

引言

目前開采過程的機械設(shè)備自動化程度在不斷提高，煤礦行業(yè)已經(jīng)迎來了自動化發(fā)展時代。尤其在煤炭開采過程中，各個機械設(shè)備采用的自動化裝置有效地提高了開采的效率。其中提升機的自動化程度發(fā)展較大，在提升質(zhì)量和運行速度方面均得到了較大的提高。提升機的自動化和數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用也在不斷實施，提升了生產(chǎn)過程的精確控制性。提升機在進行技術(shù)發(fā)展的同時，也存在一定技術(shù)方面的缺陷[1]。在承擔物料輸送、設(shè)備轉(zhuǎn)移和人員運輸方面的數(shù)字化程度還有待提高。為了進一步提高起重機在工作過程中的作業(yè)精確性，確保工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，應(yīng)對其調(diào)速裝置系統(tǒng)進行深入的研究[2]。采用變頻控制技術(shù)，對提升機調(diào)速控制系統(tǒng)進行進一步的提升改造。以工業(yè)可編程控制系統(tǒng)提升運輸效率，利用現(xiàn)有高速傳播網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高調(diào)速裝置的容量、范圍寬度、功率因數(shù)，完善提升機的提升調(diào)速控制系統(tǒng)[3]。

1 提升機系統(tǒng)概述

1.1 提升機系統(tǒng)分析

礦井提升機的電機驅(qū)動方式可分為交流式和直流式。多繩式摩擦提升機已成為煤礦企業(yè)主要采用的提升機形式，該類型提升機具有提升速度快、提升質(zhì)量較大、安全性較高的特點。提升機在礦井主井使用時由主電機、滾筒、液壓站等設(shè)備裝置組成。提升機通過在天輪軸上安裝獨特的編碼器對提升過程中的速度進行檢測并反饋至中心控制器，維持合理的速度狀態(tài)，保障礦井的正常運行。

1.2 提升機運行方式

提升機的運行離不開礦井電網(wǎng)，通常在電網(wǎng)為50 Hz 頻率的供電下進行工作，采用的是三相交流同步電機進行提升機轉(zhuǎn)速的控制，轉(zhuǎn)速一般維持在45 r/min，通過同步電機的控制使得提升機的機械特性較為穩(wěn)定[4]。通常提升機在運行時應(yīng)保持旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與定子電源頻率之間為線性關(guān)系。為了增加提升機的調(diào)速范圍，通常采用為電壓恒定模式，以恒壓頻比控制的方式對提升機進行調(diào)速。但是傳統(tǒng)的調(diào)速方式消耗的能量過大，對于整體系統(tǒng)的散熱性能造成了影響。因此，考慮采用帶編碼器的變頻控制方式對電機的電流進行調(diào)節(jié)，從而達到對提升機調(diào)速控制的目的。

2 變頻控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 變頻器選型分析

為實現(xiàn)提升機變頻功能，應(yīng)該對目前市面上常用的變頻器類型交-直-交變頻器和交-交變頻器兩種進行優(yōu)選。其中交-直-交變頻器更適用于提升機的恒壓恒頻[5]，在調(diào)節(jié)過程中屬于間接變頻調(diào)節(jié)，對于提升系統(tǒng)的沖擊性較小，因此該變頻器運行更加適用，極大地提高提升機的控制精確性。交-直-交變頻器的功能圖如圖1 所示。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)提升機惡劣的工況環(huán)境，考慮采用雙PLC 布置的冗余控制技術(shù)，以PID 控制技術(shù)的變頻器作為主要的運行部件，同時結(jié)合矢量控制技術(shù)的電動機作為礦井提升機調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計原理。將提升機控制系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)和保護信息進行采集和反饋，在此過程中，通過PLC 為核心進行運算、處理、決策[6]。同時注重主站與從站之間的通訊和冗余控制，實現(xiàn)對各個部件的運行工作條件進行決策判斷，從而使得礦井提升機整體的調(diào)速控制系統(tǒng)得到掌控，具體運行原理如圖2 所示。

圖1 交-直-交變頻器基本功能示意圖

圖2 控制系統(tǒng)運行原理圖

3 變頻控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

變頻控制系統(tǒng)的核心運行部件為PLC 模塊，考慮到在惡劣環(huán)境中的工作穩(wěn)定性，分別選取S7-400、S7-300 作為主控制器和輔助控制器，兩個控制器能夠穩(wěn)定地進行高強度的運算。兩個控制器的配置方法，如圖3 所示。S7-300/S7-400 控制器主要包括電源模塊、通訊處理模塊、中央處理器和信號模塊。S7-300/S7-400 控制器分別集成有12 和9 個模塊，代號均從-A1 開始排列。

圖3 S7-300/S7-400 控制的配置圖

在完成控制器設(shè)計后，需對變頻器進行配置選型?？刂葡到y(tǒng)的變頻器采用一類功率控制設(shè)備。交-直-交變頻的功率轉(zhuǎn)換以6～12 脈沖進行切換。每個切換狀態(tài)均采用6 個切換開關(guān)，可分別命名為為1T、2T、3T、4T、1CT、2CT、3CT 和 4CT，如圖 4 所示。

最后完成編碼器的選型，并設(shè)計其與各個控制部件的接線方式。在對編碼器進行分類時，可分為增量型和絕對性型，并且注重正確選用編碼器碼盤的材料，確保在工作過程中的熱穩(wěn)定性。

3.2 變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 軟件組態(tài)設(shè)計

圖4 交-直-交變頻器主回路電路圖

考慮到系統(tǒng)軟件與硬件的匹配性，選取西門子step7 軟件作為提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制軟件。通過step7 軟件驅(qū)動S7-300/S7-400 控制器完成變頻調(diào)速，并且能夠及時提供數(shù)據(jù)異常、報警記錄、反饋信息。

S7-400 作為主控制器使用在軟件中必須完成組態(tài)設(shè)計和組建，使得PLC 與各個部件之間實現(xiàn)通訊連接。將S7-400 與S7-300 完成控制器的相互配合，實現(xiàn)S7-300 的輔助控制器的功能，在軟件組態(tài)設(shè)計中，注重通訊之間的效率以及集中化設(shè)計，使得整體軟件與硬件配合可靠。PLC 控制模塊之間的通訊設(shè)計圖如圖5 所示。

圖5 PLC 控制模塊通訊示意圖

3.2.2 人機交互界面Win CC 的組態(tài)設(shè)計

為了實時地掌握煤礦主井提升機控制系統(tǒng)運行的信號、速度、主電機的電流、提升機運行的方向、系統(tǒng)運行的深度和閘盤溫度等一系列的狀態(tài)，專門選用工業(yè)自動化控制線程經(jīng)常被應(yīng)用到的西門子Win CC 進行人機交互界面的組態(tài)。

主井提升機的運行動態(tài)畫面顯示、運行速度的顯示、提升方式的顯示、箕斗深度的顯示、運行狀態(tài)的顯示及故障狀態(tài)的顯示等，通過合理的布局設(shè)計，最后可以很直觀地觀測到主井提升機變頻控制系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，如下頁圖6 所示。

3.2.3 前端、后臺安全性設(shè)計

控制系統(tǒng)不僅需要有完備的功能，還需要保證其系統(tǒng)的安全性，因此對系統(tǒng)前端、后臺的安全性進行設(shè)計。系統(tǒng)的前端會通過在線補丁的方式分發(fā)到每一個網(wǎng)絡(luò)通信站。每當技術(shù)人員在使用某一服務(wù)時出現(xiàn)異常狀況，都會將異常信息發(fā)送給代理進行數(shù)據(jù)分析，然后將結(jié)果反饋給每一分析模塊。同時，在后臺端口，當數(shù)據(jù)被破壞了，就可以通過備份來進行信息修復(fù)，從而保證服務(wù)的不間斷，并且在數(shù)據(jù)傳輸時采用傳輸協(xié)議加密，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性。這樣，即使數(shù)據(jù)被非法獲取了，也不一定能被正確識別出來，確保了后臺數(shù)據(jù)的安全性。

圖6 提升機變頻控制安全監(jiān)控上位機界面示意圖

4 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟對于煤炭物料資源的需求量增加，要求煤礦企業(yè)在現(xiàn)代化、智能化方面有所突破。煤礦提升機在工作過程中的精細度就應(yīng)隨著智能化設(shè)備發(fā)展程度而有所提升。通過以PLC 為核心部件的變頻調(diào)速系統(tǒng)運用，提高了提升機的變頻調(diào)速功能的實用性，在節(jié)約功耗的同時，也提升了整體系統(tǒng)的安全可靠性。同時，以Win CC 的組態(tài)設(shè)計的人機交互頁面能夠清晰明了地將變頻調(diào)速系統(tǒng)的各個運行參數(shù)進行展示和回饋。