文/郭文秋 程智勇

一、研究背景

礦井主提升機(jī)作為礦山設(shè)備中的“四大件”之一，是礦井生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，是礦井上下生產(chǎn)聯(lián)系的咽喉。提升系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。

葛亭煤礦采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)對主井提升電控系統(tǒng)進(jìn)行改造并一次性投入運(yùn)行，極大地提高了主井提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行和生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，也符合當(dāng)前安全第一和節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢。

二、控制系統(tǒng)技術(shù)研究

在深入分析礦井原主井提升控制系統(tǒng)存在的問題和全面研究國內(nèi)外礦井提升控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井主井提升控制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，提出單元串聯(lián)多電平直接高壓型變頻調(diào)速的總體技術(shù)方案。該方案將全數(shù)字矢量高壓變頻技術(shù)和PLC控制技術(shù)應(yīng)用于主提升機(jī)控制，摒棄了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速中的耗能電阻，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)在運(yùn)行過程中的無極變頻調(diào)速控制的安全保護(hù)及自動化控制。

1.高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

為保證提升機(jī)電控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，考慮到礦井提升機(jī)工作性質(zhì)和環(huán)境的特殊性，在具體設(shè)計中注意了抗干擾性、冗余結(jié)構(gòu)、模塊式結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。在提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計中，采用單元串聯(lián)多電平能量回饋型四象限高壓變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)疊波方式、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法和功率器件IGBT，從原理上保證了提升運(yùn)行的可靠性，可使變頻器的輸入輸出波形得到極大改善。高壓主電路與低壓控制電路之間的通訊采用光纖傳輸，保證電隔離性能安全可靠，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。

（1）高壓變頻調(diào)速柜。全數(shù)字高壓變頻調(diào)速柜采用矢量控制變頻器，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動。由具有活躍前端能量回饋特性的四象限高壓變頻調(diào)速裝置及其他必要的電器組成，用于向交流電機(jī)供電，構(gòu)成高性能、數(shù)字化的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速柜具有能量回饋電網(wǎng)功能，節(jié)能效果顯著。功率電路模塊化，維護(hù)簡單快速。高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠。具有低速輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，保護(hù)功能齊全，可靠性高等特點(diǎn)，滿足了煤礦提升機(jī)的工況要求。

（2）高壓變頻調(diào)速器。高壓變頻器由移相隔離變壓器柜、功率單元和控制柜三部分組成。采用矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、有源逆變技術(shù)、能量回饋等多個先進(jìn)的技術(shù)，形成了具有動態(tài)響應(yīng)快、低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大的電動機(jī)驅(qū)動特性。高壓變頻器采用交—直—交直接高壓方式，主電路開關(guān)元件為IGBT，具有很高的可靠性。

（3）智能型主控臺。智能型主控臺采用操作臺式結(jié)構(gòu)，除位置、速度、溫度、壓力、電流等必要的信號采集傳感器和終端執(zhí)行設(shè)備外，所有控制回路及操作全部集中于操作臺中。司機(jī)可通過操作主控臺上的操作手把、開關(guān)及按鈕來控制提升機(jī)運(yùn)行，并通過指示燈和人機(jī)界面及時了解提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。主控部分采用PLC控制器，配以可調(diào)閘模塊、電源模塊、語言報警模塊等以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的工藝過程控制和各種邏輯保護(hù)。主控臺具有按行程速度給定、PID速度閉環(huán)控制、各類安全保護(hù)、自動化開車及各種工作狀態(tài)顯示等功能；具有邏輯編程簡單、安全保護(hù)可靠、狀態(tài)顯示齊全、語言報警功能，實(shí)現(xiàn)與調(diào)度室計算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)。此外，主控臺自身具有應(yīng)急提升功能，在不加任何外部硬件情況下，當(dāng)PLC出現(xiàn)問題時，可以實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的低速運(yùn)行。

2.PLC控制系統(tǒng)

提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用PLC控制來實(shí)現(xiàn)提升全過程的位置控制、速度控制、動態(tài)畫面監(jiān)視和絞車系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)功能，滿足電磁兼容性技術(shù)要求，抗干擾能力強(qiáng)。

（1）軟件結(jié)構(gòu)。采用控制軟件和上位機(jī)組態(tài)軟件，控制軟件是對提升機(jī)的啟動、加速、減速、停車等過程控制信號進(jìn)行采集和邏輯處理，軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，程序編制采用梯形圖。

（2）控制程序。程序設(shè)置有半自動、全自動、手動、檢修和應(yīng)急運(yùn)行五種運(yùn)行方式。正常情況下可采用半自動或手動運(yùn)行檢修；運(yùn)行時，系統(tǒng)自動給定一個檢修速度低速運(yùn)行；故障時，在系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)后，故障被確認(rèn)但不能立即排除，此時可采用應(yīng)急運(yùn)行方式。

（3）計算機(jī)通訊。系統(tǒng)采用兩臺PLC實(shí)現(xiàn)提升全過程的位置控制、速度控制、動態(tài)畫面監(jiān)視和提升系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)，對涉及安全參數(shù)的測量環(huán)節(jié)、安全監(jiān)視環(huán)節(jié)和安全回路均采用雙線制，互為冗余，且冗余量不低于20%。PLC之間采用RS485通訊方式，可以和管理計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，并能完全滿足礦井提升工藝的過程要求，同時系統(tǒng)支持TCP/IP通訊方式，便于與礦井相關(guān)系統(tǒng)及礦井綜合自動化系統(tǒng)的通訊連接。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)。提升機(jī)的動態(tài)監(jiān)測由工控機(jī)或觸摸屏和組態(tài)軟件組成，可實(shí)現(xiàn)圖表、漢字顯示及打印，實(shí)時報警、輕重故障自診斷，深度、速度、壓力等實(shí)時顯示，提升機(jī)運(yùn)行過程各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)及事故過程記錄，作為PLC的上位機(jī)，通過通信方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控目的。整個系統(tǒng)監(jiān)控畫面由控制中心、歷史曲線、報警窗口、速度曲線、系統(tǒng)說明以及各個電機(jī)的電路監(jiān)控組成，可以看到提升系統(tǒng)的運(yùn)行方式以及運(yùn)行環(huán)節(jié)的工作數(shù)據(jù)。當(dāng)有新報警產(chǎn)生時，在控制中心畫面上就會出現(xiàn)報警燈閃爍。

三、效益分析

1.提升效率明顯

采用變頻控制系統(tǒng)后，主電機(jī)加速時間每次提升縮短2秒，取消低頻拖動時間縮短8秒，每一提升循環(huán)總計縮短10秒，每小時提升量增加3鉤，按每天20小時運(yùn)行，每年運(yùn)行345天，每鉤6噸,全年多提煤124200噸，按每噸540元計算，每年新增效益6708.8萬元。

2.節(jié)電效果非常明顯

經(jīng)實(shí)測，在相同工況條件下，提升機(jī)運(yùn)行頻率為40HZ，電機(jī)出力為70%，原來710KW提升機(jī)運(yùn)行，電機(jī)出全力，按每天20小時運(yùn)行，每年運(yùn)行345天，據(jù)此推算，變頻系統(tǒng)在投入運(yùn)行后，每年可節(jié)約電費(fèi)（0.56元/度）：710×（1－0.7）×20×345×0.56×0.85=699577 元，同時由于設(shè)備故障率低，大大減少了檢修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

3.安全性能進(jìn)一步提高

系統(tǒng)完善的自動化控制、保護(hù)和自診斷功能，包括過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、功率器件過熱保護(hù)、變壓器過熱保護(hù)、電機(jī)過載、過流保護(hù)、負(fù)載設(shè)備監(jiān)控保護(hù)等，有力地保證了礦井主提升的連續(xù)運(yùn)行和安全生產(chǎn)，避免了各類事故的發(fā)生。