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        煤礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

        2023-10-11 04:25:06李奔鋒
        煤炭與化工 2023年8期
        關(guān)鍵詞:平煤提升機(jī)變頻

        李奔鋒

        (鄭煤集團(tuán) 鄭新公司,河南 鄭州 450000)

        1 概 況

        煤礦生產(chǎn)過(guò)程中提升機(jī)是重要的輔助運(yùn)輸設(shè)備,作用是對(duì)生產(chǎn)用的物品、人員以及開(kāi)采的煤炭資源等進(jìn)行運(yùn)輸,所以其穩(wěn)定可靠運(yùn)行對(duì)于保障煤礦生產(chǎn)效率和安全至關(guān)重要。隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械化程度越來(lái)越高,產(chǎn)量越來(lái)越大,對(duì)煤礦提升機(jī)的綜合性能要求也越來(lái)越高,尤其是控制系統(tǒng)方面,變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文以平煤十二礦JK-2.5×2P 型提升機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)該礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)效果良好。

        2 變頻控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

        2.1 整體方案設(shè)計(jì)

        以平煤十二礦使用的JK-2.5×2P 型提升機(jī)為對(duì)象進(jìn)行分析,圖1 為煤礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)整體方案框圖??梢钥闯觯麄€(gè)變頻控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心,同時(shí)配合使用專(zhuān)業(yè)的傳感器對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)信息進(jìn)行采集,比如利用編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè),利用磁開(kāi)關(guān)對(duì)罐籠位置進(jìn)行采集。傳感器采集得到結(jié)果通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上傳到PLC 控制器中,利用內(nèi)置的算法程序?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析處理,根據(jù)處理結(jié)果下達(dá)控制指令,實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓頻率的精確控制。

        圖1 煤礦提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)整體方案框圖Fig.1 Overall scheme block diagram of frequency conversion control system of coal mine hoist

        根據(jù)異步電機(jī)的工作特點(diǎn),電機(jī)的電壓頻率不同時(shí)輸出的轉(zhuǎn)速也存在差異,以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制,最終達(dá)到控制提升機(jī)運(yùn)行速度的效果。PLC 控制器與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接,可對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化展示,以便工作人員及時(shí)了解提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)可在操作臺(tái)上對(duì)PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。提升機(jī)的制動(dòng)單元通過(guò)變頻器接受控制系統(tǒng)的指令,緊急情況下可對(duì)提升機(jī)滾筒進(jìn)行液壓制動(dòng),保證設(shè)備的運(yùn)行安全。

        2.2 提升機(jī)速度控制曲線

        平煤十二礦JK-2.5×2P 型提升機(jī)的速度變化曲線如圖2 所示??梢钥闯觯嵘龣C(jī)運(yùn)行時(shí)的速度經(jīng)常變化,主要經(jīng)歷了加速、恒速、減速等不同階段,因此對(duì)速度控制方面的要求非常高,控制不好就會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

        圖2 提升機(jī)的速度變化曲線Fig.2 The speed change curve of the hoist

        JK-2.5×2P 型提升機(jī)從靜止開(kāi)始到達(dá)最大運(yùn)行速度經(jīng)歷2 個(gè)加速階段,加速度分別為0.3 m/s2和0.5 m/s2,平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)速度為3.81 m/s。減速過(guò)程同樣經(jīng)歷2 個(gè)階段,對(duì)應(yīng)的加速度與加速階段相同。為實(shí)現(xiàn)提升機(jī)速度的精確控制,需利用編碼器對(duì)主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè),利用磁開(kāi)關(guān)對(duì)罐籠的位置進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

        3 變頻控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

        3.1 PLC 控制器選型設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)由很多硬件裝置組成,以PLC 控制器為核心,對(duì)PLC 控制器的綜合性能提出了一定的要求,PLC 控制器的性能越好,控制系統(tǒng)的綜合性能越優(yōu)越?;诖耍鶕?jù)平煤十二礦JK-2.5×2P 型提升機(jī)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-400 型PLC 控制器,具有標(biāo)準(zhǔn)化、速度快、體積小等眾多優(yōu)勢(shì),可以滿足該礦提升機(jī)的實(shí)際使用要求。

        S7-400 型PLC 控制器在硬件結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì),各項(xiàng)功能由不同的硬件模塊實(shí)現(xiàn)。CPU 模塊是核心部分,型號(hào)為CPU224,作用是存儲(chǔ)軟件程序,并對(duì)輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理;電源模塊型號(hào)為PS 405,作用是對(duì)輸入的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,根據(jù)實(shí)際需要獲得不同等級(jí)的直流電壓,供不同的模塊使用,保證各個(gè)模塊的正常工作;通信模塊的作用是進(jìn)行各個(gè)硬件裝置之間的連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,具體型號(hào)為CP 440。S7-400 型PLC 控制器的接線如圖3 所示。

        3.2 變頻器的選型設(shè)計(jì)

        提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)中,變頻器的作用是根據(jù)PLC 控制器下達(dá)的控制指令,調(diào)整輸出的電壓頻率,實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。此次工程案例中,S7-400 型PLC 控制器為西門(mén)子公司產(chǎn)品,為了確保變頻器與控制器的兼容性,變頻器同樣選擇西門(mén)子6SL3210-5BE21-5UV0 型變頻器,如圖4 所示。

        圖4 變頻器的基本構(gòu)成原理圖Fig.4 The basic schematic diagram of the inverter

        該變頻器主要由3 部分構(gòu)成,分別為整流電路、直流中間電路和逆變電路。對(duì)于外部輸入的交流電,首先利用整流電路對(duì)其進(jìn)行處理,將交流電轉(zhuǎn)換得到直流電,再利用直流中間電路對(duì)電流進(jìn)行處理,提升其穩(wěn)定性,最后利用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換得到交流電。整個(gè)過(guò)程接受控制回路的控制,在進(jìn)行逆變轉(zhuǎn)換時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要獲得不同的電壓頻率。

        4 變頻控制系統(tǒng)的軟件程序部分設(shè)計(jì)

        為此次設(shè)計(jì)的提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的軟件程序主要流程如圖5 所示。由圖5 可知,控制系統(tǒng)的軟件程序主要由1 個(gè)主程序和多個(gè)不同的子程序組成,主程序運(yùn)行時(shí)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際需要調(diào)用對(duì)應(yīng)功能的子程序。主程序工作時(shí),依次啟動(dòng)信號(hào)輸入功能塊和計(jì)算功能塊,對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集并分析計(jì)算。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有2 種控制模式,分別為檢查方式速度給定、自動(dòng)或手動(dòng)方式速度給定,默認(rèn)為前者。

        除可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行速度的精確控制外,軟件程序還包括CPU 啟動(dòng)組織模塊、通信組織模塊、報(bào)警診斷功能組織模塊、固定值參數(shù)組織模塊等。這些子程序模塊在保障提升機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用,比如報(bào)警診斷功能組織模塊能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題并進(jìn)行聲光報(bào)警,實(shí)現(xiàn)故障診斷的效果,縮短系統(tǒng)故障時(shí)間,為系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行奠定了的基礎(chǔ)。

        5 變頻控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

        將設(shè)計(jì)的提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到平煤十二礦提升機(jī)工程實(shí)踐中,在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能都正常后投入使用。目前,控制系統(tǒng)在平煤十二礦提升機(jī)工程實(shí)踐中的應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)1 a,通過(guò)對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)服役過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息研究,認(rèn)為系統(tǒng)的性能達(dá)到了預(yù)期效果,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)μ嵘龣C(jī)設(shè)備進(jìn)行高效精準(zhǔn)控制,顯著提升了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的可靠性和安全性,同時(shí)達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。提升機(jī)故障率降低大約10%,節(jié)省了設(shè)備維護(hù)成本;變頻調(diào)速技術(shù)使提升機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié),所以在運(yùn)輸相同重量物質(zhì)的情況下,設(shè)備整體能耗有所降低,降低幅度在15%左右,降低了生產(chǎn)成本。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        以平煤十二礦JK-2.5×2P 型煤礦提升機(jī)為對(duì)象,結(jié)合煤礦的實(shí)際需要對(duì)提升機(jī)的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì),工程實(shí)踐應(yīng)用表明,系統(tǒng)性能良好。設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)以PLC 控制器為核心,利用編碼器實(shí)現(xiàn)主電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè),利用磁開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)罐籠位置檢測(cè),實(shí)現(xiàn)提升機(jī)不同階段速度的精確控制;PLC 控制器和變頻器選用西門(mén)子S7-400 和6SL3210-5BE21-5UV0,保證硬件之間的兼容性;系統(tǒng)的軟件程序方面,根據(jù)系統(tǒng)的功能需要設(shè)計(jì)多個(gè)子程序,主程序運(yùn)行時(shí)可以調(diào)用子程序,且能夠嵌套調(diào)用。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在平煤十二礦實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用1 a 以上,設(shè)備故障率降低了10%,提升機(jī)能耗降低了15%,達(dá)到了預(yù)期效果,安全效益和濟(jì)效益顯著。

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