潘一偉

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 馬蘭礦，山西 太原 030200)

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)是保障礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分。傳統(tǒng)的提升機(jī)電控系統(tǒng)存在設(shè)備老化及自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，往往不能滿足礦井發(fā)展需求，并可能帶來(lái)一定的安全隱患。隨著電器自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)礦山都應(yīng)用PLC技術(shù)對(duì)礦山電控系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，取得了良好的效果[1-7].某煤礦提升機(jī)在使用過(guò)程中存在設(shè)備老化嚴(yán)重，技術(shù)落后、效率低等問(wèn)題，不符合該礦近年來(lái)提出的煤炭生產(chǎn)持續(xù)、安全、高效的目標(biāo)。因此，對(duì)該礦提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，以提高其運(yùn)行安全可靠性。

1 現(xiàn)用電控系統(tǒng)存在的問(wèn)題

該礦原設(shè)計(jì)產(chǎn)能0.6 Mt/a，現(xiàn)礦井的生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到1.5 Mt/a，部分原有設(shè)備難以滿足礦井產(chǎn)能增加的需求，副井提升機(jī)便是其中之一。礦井原有礦井提升機(jī)型號(hào)為Jk-3.5×2.6/30E，電控系統(tǒng)采用TKD控制系統(tǒng)，最大提升速度為4 m/s.提升機(jī)使用中主要存在以下問(wèn)題：

1)原提升機(jī)電控系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)全速全載，根據(jù)礦井現(xiàn)產(chǎn)能，要求最大提升速度為6 m/s，原有電動(dòng)機(jī)不能滿足提升要求。

2)原電控系統(tǒng)調(diào)速、控速能力差，礦井提升機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載突然發(fā)生變化，低電壓和低速段的啟動(dòng)力矩小，難以實(shí)現(xiàn)恒減速控制。

3)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)元器件使用多年，老化嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中功能元器件損壞率及設(shè)備故障率較高。

2 電控系統(tǒng)改造方法

對(duì)于電控系統(tǒng)的改造主要從硬件及軟件兩方面著手，針對(duì)礦山改造需求，硬件方面主要是電動(dòng)機(jī)、PLC控制系統(tǒng)及變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造，軟件方面主要是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的改造。

2.1 電動(dòng)機(jī)選擇

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的選型主要通過(guò)計(jì)算分析與校核來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括額定轉(zhuǎn)速計(jì)算、電機(jī)功率計(jì)算及過(guò)載能力校核。電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

(1)

式中：

n—實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；

D—滾筒直徑，m；

Vm—最大運(yùn)行速度，m/s；

i—傳動(dòng)比。

該礦提升機(jī)滾筒直徑3.5 m，最大運(yùn)行速度6.0 m/s，傳動(dòng)比20，將相關(guān)參數(shù)帶入式(1)，得到額定轉(zhuǎn)速為655 r/min.

電機(jī)功率計(jì)算公式如下：

(2)

式中：

K—阻力系數(shù)，取1.15；

Q—提升機(jī)最大載荷，N，取60×106；

η—減速器傳動(dòng)效率，取0.95；

ρ—?jiǎng)恿ο禂?shù)，取1.15.

計(jì)算得到電機(jī)功率為501 kW，考慮到120%的安全系數(shù)，電機(jī)功率取601 kW.

最終，通過(guò)計(jì)算分析，電動(dòng)機(jī)選型為Y700-8/1180交流高壓異步電動(dòng)機(jī)，功率達(dá)700 kW，轉(zhuǎn)速達(dá)655 r/min.

對(duì)于改造后選取的電動(dòng)機(jī)，需進(jìn)行過(guò)載能力校驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)額定輸出功率及過(guò)載能力校核計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中：

λ—電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力，取2.

通過(guò)計(jì)算分析，改造后的Y700-8/1180交流高壓異步電動(dòng)機(jī)滿足系統(tǒng)提升需求。

2.2 PLC控制系統(tǒng)改造

改造后的電控系統(tǒng)要求控制精度高，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，監(jiān)控、故障自診斷能力強(qiáng)。為此，控制柜選擇西門(mén)子的S7-1500型PLC控制柜。

2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)改造

1)變頻器選擇。系統(tǒng)改造后，要求高壓變頻器可以直接輸入高壓，根據(jù)故障程度給出報(bào)警或停機(jī)處理，能夠確保停車(chē)穩(wěn)定無(wú)沖擊，延長(zhǎng)閘瓦壽命，滿足高效生產(chǎn)要求，加速、減速平滑穩(wěn)定，力矩快速響應(yīng)；輸出頻率與提升系統(tǒng)共振頻率相同時(shí)，可跳躍該頻率，穩(wěn)定運(yùn)行。變頻器容量計(jì)算公式如下：

(5)

式中：

P0—變頻器容量，kW；

Pm—電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；

η—電動(dòng)機(jī)效率；

k—電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，取1.05；

cosα—電動(dòng)機(jī)功率系數(shù)。

改造后的電機(jī)效率為0.95，功率系數(shù)為0.94，相關(guān)參數(shù)帶入式(5)，計(jì)算得到變頻器容量為：

為此，選擇CHIC1000-10/10-1000AH型變頻器，容量達(dá)1 000 kW.

2)變頻調(diào)速控制方法。

系統(tǒng)調(diào)速方式目前主要有直流與交流調(diào)速兩種，系統(tǒng)改造后由原用的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組改為靜止可控整流器結(jié)構(gòu)，原理見(jiàn)圖1.該結(jié)構(gòu)利用可控整流器得到可調(diào)直流電壓，具有較好的安全可靠性與較低的能耗。

圖1 靜止可控整流器原理圖

改造后變頻調(diào)速系統(tǒng)采用模糊控制方式，即采用由模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的控制規(guī)則來(lái)操縱系統(tǒng)工作的控制，控制原理見(jiàn)圖2.這種控制方法可滿足提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要，將產(chǎn)生的誤差及其變化率通過(guò)模糊化、規(guī)則庫(kù)、模糊推理及解模糊來(lái)處理。

2.4 上位監(jiān)控系統(tǒng)改造

改造后的上位監(jiān)控系統(tǒng)編程軟件采用TIA Portal Step7，組態(tài)軟件選用TIA Portal WINCC軟件。主畫(huà)面情況見(jiàn)圖3.

圖3 主畫(huà)面圖像

主畫(huà)面可以實(shí)時(shí)顯示礦井提升機(jī)運(yùn)行位置、運(yùn)行速度、電機(jī)電流等數(shù)據(jù)。在上位機(jī)最下部主菜單中還包含了安全回路、參數(shù)記錄、電源監(jiān)視、故障記錄、報(bào)表等子菜單，可以點(diǎn)擊開(kāi)始查詢各菜單設(shè)計(jì)的功能。

3 結(jié) 論

針對(duì)某礦電控系統(tǒng)改造需要，對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，電動(dòng)機(jī)確定為Y700-8/1180交流高壓異步電動(dòng)機(jī)，主控系統(tǒng)選取西門(mén)子S7-1500系列PLC；通過(guò)變頻器容量計(jì)算，選擇CHIC1000-10/10-1000AH變頻器。同時(shí)，完成了變頻調(diào)速與上位監(jiān)控系統(tǒng)的改造，有效解決了礦山提升機(jī)電控系統(tǒng)存在的問(wèn)題。