周麗霞

（晉能控股集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

1 概況

忻州窯煤礦位于大同市西南方向，地勢由西北向東南傾斜，井田面積17.4 km2，儲量約為7800 萬t，年開采能力為230 萬t 左右。JTP-500 型礦井提升機安裝于2011 年，人工就地控制，通過切換串接在轉(zhuǎn)子側(cè)電阻的能耗制動方法來提升運行速度。由于缺少運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，無法自動識別系統(tǒng)故障隱患，系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性差，且能耗制動方法無法精準(zhǔn)控制提升機運行速度。設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程集中自動控制，增強系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和調(diào)速節(jié)能精準(zhǔn)性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)提升機集中控制、運行保護和變頻調(diào)速等功能，系統(tǒng)整體框架圖如圖1，主要包括高壓配電系統(tǒng)、高壓換向電制動切換系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)。

圖1 礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框架圖

（1）高壓配電系統(tǒng)

高壓配電系統(tǒng)設(shè)置雙路10 kV 供電電源，兩路高壓電設(shè)置互鎖關(guān)聯(lián)，設(shè)自動和手動切換裝置，保證在一路斷電或檢修時，能手動或自動快速切換到另一路供電。高壓配電柜內(nèi)裝設(shè)過流、欠壓和短路等保護裝置以及電量計量儀器儀表，主要為系統(tǒng)的提升機單元和高壓變頻器提供安全穩(wěn)定電源。

（2）高壓換向電制動切換系統(tǒng)

切換系統(tǒng)主要對提升機的電機轉(zhuǎn)向進行控制，實現(xiàn)提升機的下放和提升作業(yè)[1]。切換系統(tǒng)的控制信號由主控臺發(fā)出，換向制動切換系統(tǒng)按照設(shè)定程序控制電機執(zhí)行正向和反向運轉(zhuǎn)以及制動電源與工頻高壓電源切換。高壓電機換向系統(tǒng)設(shè)置電氣和機械雙重閉鎖功能。

（3）制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)是提升機控制系統(tǒng)的安全保障單元[2]。為保證制動系統(tǒng)的穩(wěn)定在線，避免由于控制需求切換電源導(dǎo)致的制動系統(tǒng)失效，同時考慮到系統(tǒng)高壓對電源的電磁干擾影響，采用獨立直流供電模式[3]。

（4）控制系統(tǒng)

作為提升機控制系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)置的各類狀態(tài)監(jiān)測傳感器、信號傳輸通訊、主控臺數(shù)據(jù)處理模塊（PLC）以及顯示和其他終端設(shè)備等，完成提升機狀態(tài)監(jiān)測、邏輯判斷、控制指令輸入和輸出、參數(shù)終端顯示等。

（5）變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速是調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要通過對逆變電路輸出的電壓幅值與頻率進行控制調(diào)節(jié)[4]，完成提升機電機的速度控制。

3 系統(tǒng)主要硬件選型

（1）PLC 選型

提升機調(diào)速控制系統(tǒng)以西門子S7-400 為主控制器，S7-300 為輔控制器，保證系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)處理能力，配置見表1。

表1 PLC 配置表

（2）變頻器的配置

系統(tǒng)選擇交-交變頻器實現(xiàn)提升機速度調(diào)節(jié)，變頻器的功率單元采用6 脈動和12 脈動切換的方式，主回路電路圖如圖2，依靠Q1-Q4 四個切換開關(guān)完成脈動運行方式切換，各組分別與同步電動機的雙繞組線圈連接，一組三相變流器A111、A121、A131 由△/Y 接法的定子變壓器T1、T2、T3 進行供電，另一組三相變流器A211、A221、A231 由△/△接法的定子變壓器T4、T5、T6 進行供電。每臺定子變壓器上加裝電流互感器，用以檢測輸出電流，在變壓器旁設(shè)置過流保護檢測裝置，用以檢測三相不平衡電流[5]。

圖2 交-交變頻器主回路電路圖

變頻控制電路主要包括：① 運算電路。利用空間矢量理論將所測電流電壓值運算得出異步電機實際輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，采用與設(shè)定的相關(guān)值對比方式，通過邏輯運算得出控制提升電機電路的頻率和電壓值，并輸出控制信號[6]。② 驅(qū)動電路。根據(jù)運算電路邏輯運算結(jié)果實現(xiàn)控制元件動作。③ 速度檢測電路。通過轉(zhuǎn)速傳感器對提升機電機運行速度實時檢測[7]。④ 電流電壓檢測電路，是提升機電機的電壓電流反饋電路。⑤ 保護電路。檢測到系統(tǒng)過流、欠壓和短路等，進行電路保護處理，主要針對電機和變頻器逆變電路進行保護[8]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）變頻調(diào)速程序設(shè)計

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)以西門子S7-400 和S7-300為核心控制器，程序設(shè)計通過西門子step7 軟件完成提升機運行控制、調(diào)速控制、故障診斷、聯(lián)鎖控制以及記錄查詢等功能，實現(xiàn)數(shù)字量信號和模擬量信號的輸入和輸出。系統(tǒng)運行模式分為應(yīng)急、低速、手動、主動四種，如控制系統(tǒng)檢測到故障信息，且能夠確認(rèn)故障點，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)到低速運行，將提升機速度控制在0.5 m/s；一旦檢測到重大故障，則啟動應(yīng)急控制模式。變頻調(diào)速控制流程如圖3。

圖3 變頻調(diào)速控制流程圖

（2）安全回路控制邏輯

圖4 為系統(tǒng)的安全回路邏輯控制界面。系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)通過監(jiān)測判斷，對各開關(guān)進行狀態(tài)判斷，正常即閉合，不正常則斷開。按照下圖回路控制邏輯進行回路安全結(jié)果判定，按照判定結(jié)果，系統(tǒng)執(zhí)行啟動或安全故障報警等動作。

圖4 系統(tǒng)安全回路邏輯控制界面

（3）上位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機主界面如圖5，主要顯示提升機運行狀態(tài)、電機溫度、主系統(tǒng)速度、天輪速度、箕斗深度和設(shè)備故障信息等，為監(jiān)控人員實時顯示系統(tǒng)各項監(jiān)測信息。界面左側(cè)設(shè)計安全回路、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、閘盤監(jiān)測、電控報警等查詢和控制分界面引導(dǎo)按鈕。

圖5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)上位機主界面

5 應(yīng)用效果

為了檢驗設(shè)計的提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的控制和調(diào)速效果，忻州窯煤礦設(shè)計工程試驗，模擬提升機故障，檢測系統(tǒng)的故障診斷準(zhǔn)確性和故障下邏輯控制有效性；進行提升機速度與行程控制試驗，檢測系統(tǒng)的變頻調(diào)速功能。

（1）過卷超限故障試驗

在提升機運行過程中，手動控制系統(tǒng)減速，上現(xiàn)場廣播觸發(fā)“提升系統(tǒng)減速，請注意”語音播報；提升機系統(tǒng)繼續(xù)運行，人為觸發(fā)極限過卷保護開關(guān)，上位機自動跳轉(zhuǎn)故障報警界面，“行程軟上過卷”報警燈亮，同時提升機系統(tǒng)現(xiàn)場緊急剎車，觸發(fā)故障報警警鈴。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)試驗

記錄上位機電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，利用監(jiān)測儀器儀表進行現(xiàn)場測量后對比，各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)基本相同，最大誤差不超過1.5%，能夠滿足系統(tǒng)的精度設(shè)計要求。采用step7 軟件，修改軸承溫度，監(jiān)測參數(shù)程序報警閾值和急停控制信號輸出閾值，使當(dāng)前系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別超出程序設(shè)定閾值，系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警閾值但未超過急停動作報警時，只在上位機提示軸承溫度高報警，并發(fā)出聲光報警信號；在監(jiān)測數(shù)據(jù)超過急停動作報警時，控制提升機剎車急停，并觸發(fā)故障報警警鈴。

（3）提升機速度與行程控制試驗

忻州窯煤礦當(dāng)前服役的JTP-500 型提升機行程約為515 m，在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)定全行程運行速度調(diào)速控制試驗，根據(jù)速度監(jiān)測傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制速度如圖6。① 初加速控制：運行前4 m 為電機初始加速里程，速度持續(xù)增加到2.5 m/s；② 加速控制：7～73 m 里程系統(tǒng)控制電機加速，速度從2.5 m/s 平穩(wěn)增加到8.38 m/s；③ 定速控制：控制電機在73～443 m 里程定速運行，檢測系統(tǒng)定速控制穩(wěn)定性，期間電機速度穩(wěn)定8.38 m/s；④ 減速控制：在443～508 m 里程變頻控制電機減速，速度降低為2.5 m/s；⑤ 爬行速度控制：最后里程模擬提升機爬行運行速度，系統(tǒng)剎車平穩(wěn)降速。

根據(jù)行程變頻調(diào)速控制試驗圖可以看出，變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠按照控制需求，精準(zhǔn)控制提升機運行速度，且整個調(diào)速過程平穩(wěn)，速度曲線過渡平滑。

圖6 變頻控制提升機速度圖

6 結(jié)語

（1）遠程調(diào)速系統(tǒng)包括高壓換向電制動切換系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用傳感器采集運行參數(shù)，經(jīng)邏輯計算判斷，輸出提升機控制指令，完成提升機系統(tǒng)啟停、故障報警或剎車停機等動作；

（2）對主控和備用PLC 選型，設(shè)計安全回路控制邏輯，測試行程與速度關(guān)系，采用組態(tài)軟件WINCC 設(shè)計上位機操作界面，并完成了功能測試。