王建龍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽(yáng)城四侯煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城048108）

引言

提升機(jī)為煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)輸能力僅次于帶式輸送機(jī)。在實(shí)際生產(chǎn)中，提升機(jī)的提升效率、安全性和節(jié)能性直接影響綜采工作面的生產(chǎn)。傳統(tǒng)提升機(jī)電氣系統(tǒng)主要以異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)量對(duì)其提升速度進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，從而造成了電能的浪費(fèi)。除此之外，提升機(jī)傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)缺乏對(duì)設(shè)備的保護(hù)功能[1]。因此，本文著重對(duì)提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，在實(shí)現(xiàn)其節(jié)能效果的同時(shí)，達(dá)到提升其可靠性的目的。

1 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文以單繩纏繞式提升機(jī)為研究對(duì)象，其主要由提升容器、鋼絲繩、電氣設(shè)備、天輪以及裝卸設(shè)備等組成。為實(shí)現(xiàn)提升機(jī)電氣控制的節(jié)能運(yùn)行效果和高可靠性，本文擬采用以PLC控制系統(tǒng)為電氣控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)從啟動(dòng)、加速、運(yùn)速、減速、爬行至停機(jī)整個(gè)過(guò)程的節(jié)能、高可靠性控制。根據(jù)提升機(jī)的生產(chǎn)需求，對(duì)應(yīng)其電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成[2]。其中，主控制系統(tǒng)主要完成對(duì)提升機(jī)工作方式和控制方式的確定；輔助控制系統(tǒng)主要完成對(duì)可調(diào)閘速度、制動(dòng)速度閉環(huán)環(huán)節(jié)以及速度測(cè)定等環(huán)節(jié)的控制，其為提升機(jī)主控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)執(zhí)行奠定基礎(chǔ)；監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)顯示器為用戶提供了實(shí)時(shí)查看提升機(jī)運(yùn)行速度、加速度、故障類型及位置等參數(shù)的界面，可保證用戶實(shí)時(shí)獲取提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。為保證提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，要求電氣控制系統(tǒng)滿足如下要求：當(dāng)提升機(jī)用于升降作業(yè)人員時(shí)，其加（減）速度不得大于0.75 m/s2，當(dāng)用于升降物料時(shí)，其加（減）速度不得大于1.2 m/s2；可保證提升機(jī)在重載條件下啟動(dòng)，且不會(huì)對(duì)其他設(shè)備及電網(wǎng)造成沖擊；可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速功能，保證在不同速度的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換；可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)重載、超載等工況的保護(hù)功能，增設(shè)必要的聯(lián)鎖和保護(hù)環(huán)節(jié)。

2 提升機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 提升機(jī)主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

提升機(jī)主控制系統(tǒng)的核心為PLC控制器，綜合提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的需求和PLC控制器的產(chǎn)品類型，最終所選型PLC控制器為三菱FX2N系列的PLC。

根據(jù)提升機(jī)主控制系統(tǒng)的控制需求，其輸入點(diǎn)包括有主備PLC之間的輸入、旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)、操作臺(tái)控制信號(hào)、外圍設(shè)備開關(guān)量、模擬量信號(hào)等信息的輸入。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知：對(duì)應(yīng)主控系統(tǒng)中外圍設(shè)備開關(guān)量共有69個(gè)，模擬量信號(hào)量共有8個(gè)，旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)共有4路。PLC輸出點(diǎn)包括有開關(guān)量和模擬信號(hào)的輸出，其中開關(guān)量共有32個(gè)，模擬信號(hào)共有2個(gè)。提升機(jī)主控系統(tǒng)PLC控制器相關(guān)模塊的選型結(jié)果如下頁(yè)表1所示。

提升機(jī)主控制系統(tǒng)除了完成對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)至停機(jī)等階段的控制外，還需實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的保護(hù)功能[3-5]。根據(jù)所采集到的各種保護(hù)信號(hào)將事故的嚴(yán)重程度分為重事故信號(hào)和輕事故信號(hào)，并根據(jù)不同的事故等級(jí)完成對(duì)提升機(jī)不同的保護(hù)操作，提升機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)如下頁(yè)圖2所示。

表1 PLC控制器相關(guān)模塊選型

圖2 提升機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)

2.2 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)提升機(jī)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)提升機(jī)提升速度的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而解決了傳統(tǒng)提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在重載或者載荷突變工況下進(jìn)行調(diào)速操作時(shí)對(duì)綜采工作面系統(tǒng)和工作面電網(wǎng)造成的沖擊，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果的同時(shí)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

變頻器的選型為提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，變頻器選型主要依據(jù)系統(tǒng)電機(jī)的額定功率及其在載荷突變工況下的低頻提供高轉(zhuǎn)矩的能力。因此，針對(duì)本文提升機(jī)的應(yīng)用情況，最終所選型變頻器的具體型號(hào)為5HK62-5B；根據(jù)提升機(jī)的工作要求，為其設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的PLC控制程序，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)在工頻和變頻兩個(gè)工況下切換運(yùn)行，其切換原理如圖3所示。

圖3 工頻與變頻調(diào)速系統(tǒng)切換結(jié)構(gòu)示意圖

3 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)提升機(jī)的電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本文著重對(duì)該電氣節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)調(diào)速效果和節(jié)能效果進(jìn)行具體分析。

3.1 平滑調(diào)速功能的驗(yàn)證

本文對(duì)提升機(jī)運(yùn)行一個(gè)循環(huán)狀態(tài)對(duì)提升容器速度的控制情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得出如圖4所得監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖4 變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)提升速度的控制效果

如圖4所示，基于電氣節(jié)能控制系統(tǒng)，提升機(jī)系統(tǒng)在前7 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升容器的初加速階段，并從7～73 m為系統(tǒng)的加速段，待勻速（8.38 m/s）運(yùn)行443 m后系統(tǒng)開始減速運(yùn)行。其中，在減速段運(yùn)行距離約為65 m，待速度減至2.5 m/s后開始爬行，待爬行7 m后系統(tǒng)停機(jī)。在整個(gè)循環(huán)階段，系統(tǒng)速度的變化趨勢(shì)均相對(duì)平滑，滿足平滑調(diào)速的要求。

3.2 節(jié)能效果的驗(yàn)證

將改造后的電氣節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，就目前某煤礦的日常提升運(yùn)輸任務(wù)而言，在變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制下提升機(jī)處于低速運(yùn)行的時(shí)間約占提升機(jī)一個(gè)循環(huán)提升時(shí)間的30%左右；而傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的控制下，在一個(gè)提升循環(huán)內(nèi)僅有10%的時(shí)間處于低速運(yùn)行時(shí)間。此外，提升機(jī)采用電氣節(jié)能控制系統(tǒng)后，在調(diào)速過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊明顯降低，降低了系統(tǒng)維修的成本，間接地解決了提升運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

綜合比較可知：電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可為提升機(jī)的實(shí)際提升任務(wù)節(jié)能約20%。

4 結(jié)論

1）完成對(duì)提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)中PLC控制器、變頻器的選型，并完成對(duì)提升機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

2）經(jīng)實(shí)踐表明，提升機(jī)電氣節(jié)能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)從啟動(dòng)至停機(jī)整個(gè)運(yùn)行階段的平滑控制；并且實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的變頻節(jié)能調(diào)速控制后，每年可節(jié)約的電費(fèi)約為之前控制下電費(fèi)的20%。