李潤平

（華陽新材料科技集團五人小組管理部，山西 陽泉 045000）

引言

礦井提升機為僅次于帶式輸送機的運輸設(shè)備，其主要承擔(dān)著煤炭、物料甚至作業(yè)人員的運送任務(wù)。在日常生產(chǎn)中，為保證煤礦煤炭的產(chǎn)出率，對應(yīng)工作面一般采用三班倒的工作模式，也就是說不論是地面還是工作面的設(shè)備均在時刻運行中。提升機根據(jù)上行和下放需求使相應(yīng)的設(shè)備一直處于過負荷運轉(zhuǎn)，對應(yīng)的電機處于頻繁的正反轉(zhuǎn)運行以及制動系統(tǒng)不斷地切換制動和運行狀態(tài)。如何保證提升機在高負荷運行狀態(tài)下的可靠性和安全性是提升機運輸效率高的關(guān)鍵[1]。因此，基于PLC控制器完成對傳統(tǒng)繼電器控制提升機控制系統(tǒng)的改造。

1 提升機電氣控制系統(tǒng)基本要求

提升機系統(tǒng)作為礦井生產(chǎn)的一大型機電系統(tǒng)，主要包括有機械部分和電氣部分，具體可劃分為電機、減速器、制動系統(tǒng)、測速系統(tǒng)以及摩擦輪等組成。本文所研究的提升機為單繩纏繞式提升機，其具體行程為700 m，主要應(yīng)用于斜井。電氣控制系統(tǒng)為提升機系統(tǒng)的關(guān)鍵機電設(shè)備，其是保證設(shè)備運輸效率和可靠性的關(guān)鍵。提升機電氣控制系統(tǒng)必須能夠滿足設(shè)備的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，為適應(yīng)礦井高負荷的運輸需求，提升機電氣控制系統(tǒng)需滿足如下要求:

1）針對運輸對象的不同，提升機在加速和減速階段的加/減速度均應(yīng)該滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求；

2）在實際運輸過程的突發(fā)情況下，免不了設(shè)備在重載情況下啟動[2]。因此，提升機電控系統(tǒng)應(yīng)具備良好的重載啟動能力，并具備一定的過載能力；

3）提升機電氣控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實際運輸?shù)囊蠹皶r對設(shè)備的速度進行實時、平穩(wěn)的控制；

4）提升機電氣控制系統(tǒng)的機械特性能夠滿足在工況變化加大時不會對整機的運輸速度造成較大的干擾；

5）為進一步保證提升機的可靠性，其電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備一定的連鎖和安全保護功能。

2 提升機電控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1）目前，該礦提升機電氣系統(tǒng)采用繼電器控制為主，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢、控制不穩(wěn)定以及保護功能欠缺；而且，繼電器容易老化的缺陷無法適應(yīng)當(dāng)前礦井高負荷的平穩(wěn)運輸需求；

2）當(dāng)前電控系統(tǒng)不具備定位提升機故障的功能，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障時維修效率低，從而影響整個工作面的生產(chǎn)效果；

3）當(dāng)前電控系統(tǒng)無法將提升機運行工況實時反應(yīng)于調(diào)度部門，對高效管理不利；

4）當(dāng)前電控系統(tǒng)不具備根據(jù)工況對運輸速度進行實時控制，存在耗能嚴(yán)重或者提升力矩不足的問題，導(dǎo)致提升效率低[3]。

針對提升機當(dāng)前存在的問題，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)的控制經(jīng)驗，本文將基于PLC控制器設(shè)計可控硅調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)對提升機電控系統(tǒng)的改造，初步擬定改造后系統(tǒng)的框圖如圖1所示：

如圖1所示，改造后提升機電控系統(tǒng)可基于深度指示器對罐籠的實時位置進行監(jiān)測，可基于主控系統(tǒng)實現(xiàn)對運輸速度的實時、平穩(wěn)控制；可基于監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備運行的整體狀態(tài)進行監(jiān)測。

圖1 基于PLC改造后提升機電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 提升機電控系統(tǒng)的改造

3.1 基于PLC控制器對電控系統(tǒng)改造

結(jié)合圖1中初步設(shè)計的提升機電氣控制系統(tǒng)基于PLC控制器改造后的結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合該礦井現(xiàn)場實際情況和改造后電氣控制系統(tǒng)的控制需求，為PLC電氣控制系統(tǒng)配置如圖2所示的硬件設(shè)備：

圖2 基于PLC改造后電控系統(tǒng)硬件框圖

如圖2所示，基于PLC對提升機電氣控制系統(tǒng)改造后所配置的硬件設(shè)備包括有全數(shù)字主控臺、可控硅動力制動電源柜、高壓切向電制動切換柜、制動泵、潤滑泵站、高壓開關(guān)柜以及智能型可控硅加速柜等[4]。

根據(jù)目前該礦井其他大型機電設(shè)備所選型PLC控制器的型號，針對提升機電控系統(tǒng)的改造也采用三菱FN2N系列的PLC控制器；根據(jù)提升機電氣控制系統(tǒng)的需求統(tǒng)計，對應(yīng)PLC輸入點包括有54個，對應(yīng)PLC輸出點包括有37個。而當(dāng)前市面上常用三菱PLC控制器的輸入點和輸出點分別為32個。因此，為改造后電氣控制系統(tǒng)配置兩套PLC控制器。

結(jié)合提升機在實際運輸過程中的控制需求，設(shè)計如圖3所示的控制流程圖。

3.2 提升機可控硅調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

針對提升機在實際提升或下放過程中需根據(jù)實時工況對其提升或下放速度進行實時控制。目前，就提升機的調(diào)速系統(tǒng)而言可通過直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)。目前，工業(yè)中尤其是煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍的交流調(diào)速系統(tǒng)，而且工業(yè)中以變頻器為核心的交流變頻調(diào)速為主。但是，鑒于煤礦生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣，若對變頻器保護不當(dāng)容易影響設(shè)備的壽命，從而增加了改造成本[5]。因此，鑒于可控硅整流器具備體積小、效率高以及重量輕的特點，本文將在基于PLC控制器改造的基礎(chǔ)上基于可控硅整流器實現(xiàn)對提升機的調(diào)速控制。

結(jié)合提升機電機的結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖4所示的主控回路圖：

圖3 改造后提升機電氣控制流程圖

圖4 可控硅主控回路電路圖

如圖4所示，在實際控制過程中PLC控制器將控制信號分出8組，根據(jù)減速或者減速的控制需求對回路中的電阻和可控硅部分進行截止操作。具體控制如下：當(dāng)提升機需加速時，將回路中的電阻全部切除；當(dāng)提升機需減速或者停機時，根據(jù)控制信號將可控硅整流器部分或者全部截止。

此外，基于可控硅整流器實現(xiàn)對提升機實時、平穩(wěn)調(diào)速控制需求外，其還具備RS485通訊功能，即實現(xiàn)與上位機的通訊，從而可有效減少當(dāng)前基于變頻調(diào)速系統(tǒng)中必要的通訊電纜芯數(shù)，從而進一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

4 提升機可控硅調(diào)速系統(tǒng)改造效果

傳統(tǒng)提升機電氣控制系統(tǒng)采用空氣接觸器對回路進行控制，該設(shè)備的功率為8.8 kW；而基于PLC控制器實現(xiàn)提升機可控硅調(diào)速后所采用的可控硅調(diào)速硅的功率為0.35 kW。按照每天工作18 h、每年工作330 d計算，每年可節(jié)約電量約為8.8 kW×18 h×330-0.35 kW×18 h×330=45 441 kWh。

為驗證提升機在實際運輸過程中是否能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速功能，對提升機從啟動到停機一個循環(huán)的控制效果進行驗證，所參照的一個循環(huán)速度控制曲線如圖5所示。

采用本文基于PLC控制器實現(xiàn)提升機的可控硅調(diào)速系統(tǒng)后，在一個循環(huán)內(nèi)得出提升機的速度控制曲線如圖6所示。

如圖6所示，對提升機進行改造后設(shè)備在整個循環(huán)階段可實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速功能。

圖5 提升機理想速度控制曲線

圖6 提升機實際速度控制曲線