煤矿提升机电控系统智能化设计与应用

煤矿提升机电控系统智能化设计与应用

徐继鹏

山东双合煤矿有限公司  272300

摘要：随着煤矿开采水平的提升，对机电运行的质量也在提高。提升机作为煤矿地面和井下的主要运输设备，主要负责人员、物料和物料的上下输送，由于其机械结构和相应的电控系统机构较为复杂，其安全、稳定、高效的运行对煤矿生产至关重要，且工作时间较长，通常需要不间断运行，零件故障率及控制误差率较高，在其往复运行中一旦发生故障，将会造成设备损坏甚至人身伤亡等严重事故，因此设计一款安全可靠性强、控制精度及效率高、能耗较低的提升机电控系统对于保证提升机安全稳定高效运行具有重要意义。

关键词：提升机；PLC；变频调速；实时监测

引言

随着煤矿领域技术水平的不断提升，对提升机装备性能要求越来越高。如果提升机出现故障，轻则对煤矿生产造成不良影响，严重时会引发安全生产事故。提升机运行时不同阶段要求具有不同的运行速度，对速度方面的要求非常高，所以需要根据实际情况对速度进行调节控制。近年来，随着变频调速技术的逐渐成熟，在很多工业领域有了广泛应用。将变频调速技术应用到煤矿提升机工程实践中，能显著提升设备的运行稳定性与可靠性。

1煤矿提升机的调速系统

目前，煤矿提升机调速中常用的3种调速系统包括：转子串电阻调速、直流调速、变频调速，三者均有优势所在。对于交流双机和单机拖动的提升系统而言，当前多数采用转子串电阻调速方式，实际应用过程中存在4个方面的不足：（1）转子回路串联5-10级的电阻，但很大一部分功率被消耗在电阻上，存在能耗高、体积大、结构复杂的问题；（2）虽然具备调速功能，但属于有极调速，容易出现运行不平稳，甚至导致机械冲击或电气冲击的情况发生；（3）在重物下放状态下，转子串电阻调速方式无法有效通过转子电阻确保转速处于额定范围内，导致运行状态存在安全隐患；（4）功率因素较低。相比转子串电阻调速，直流调速系统的应用较为广泛，且可以发挥出良好的作用。长时间应用直流调速系统发现，其具备的调速范围广、调速性能良好、过载能力强、可实现平滑调速优势都是值得肯定的。不过直流调速系统也有不足之处，集中体现在3个方面：（1）如果是同等转速、同等容量的交流电机与直流电机，则直流电机的造价较高，并且体积较大；（2）直流电机有换向器、电刷，所以整体的结构和制造工艺均较为复杂，如果出现运行故障，其维护工作量往往较大，并且需要投入较多的维护费用；（3）如果在使用晶闸管整流设备的基础上应用直流调速系统，会存在一些比较尖锐的问题，例如会出现因功率因数低导致电网谐波污染严重的问题。目前，变频调速在煤矿提升机中得到了广泛的应用，并正朝着越来越广泛的趋势发展，其应用效果值得肯定。交流变频调速可以将50Hz交流电的工频转换为交流电，并具有频率和电压调节的优点，从而达到调节电机转速的目的。目前，高压变频调速系统主要由三部分组成，即调速控制系统、高压变频器、高压交流电机。在高压变频调速系统的实际应用中，它可以根据负载的变化自动平稳地进行调速，并且可以实现在线直接启动处理，启动电流和影响都比较小。同时其节能效果和防护效果值得肯定。目前，煤矿提升机通过变频调速技术的应用，可以提高泵、风机负荷的节能效果，节能率明显。此外，变频调速可以动态检测电源的过压、缺相、过流、欠压等重要信息，及时采取有针对性的措施，以防发生故障。

2煤矿提升机电控系统智能化设计

2.1系统控制结构优化

系统采用PLC作为控制核心替代原系统继电器、接触器控制单元，由PLC对主轴装置编码器数据进行采集，，通过上位机进行分析处理后给出最优调速控制，使提升机稳定运行于设定速度曲线上，系统控制精度及调速性能大幅提高。同时系统采用双PLC冗余控制结构，分别作为系统主控机和监控机，由主控PLC控制系统I/O输入输出，监控PLC进行系统运行参数采集，并与主控PLC实时通信，当主控PLC发生故障立即切换至监控PLC进行系统控制。

2.2速度变化规律

提升机从静止启动到最后结束，其速度会不断地发生变化。总体而言，按照速度变化情况及其大小，可以将其分为5个阶段，从启动到结束依次为加速阶段、匀速运行阶段、减速阶段、爬行阶段、停止阶段。加速阶段提升机按设定的加速度运行，直到达到设定的匀速运行速度为止。匀速运行阶段速度保持不变，快到终点时提升机开始按一定加速度减速，然后缓慢匀速爬行，爬行段的速度很低，设置爬行段的重要目的是提升设备的运行稳定性，确保乘坐人员在正式停车前有一个适应阶段，最后停止运行。可见提升机运行过程的速度变化非常复杂，对速度控制系统性能提出了比较高的要求。基于先进的PLC控制器和变频控制技术可以达到以上要求。

2.3煤矿提升机中的变频调速系统设计

为了更好地满足煤矿提升机的运行要求，目前变频调速系统的设计已受到高度重视，并开始采用可编程控制器(PLC)。设计基于PLC的变频调速系统，可以提高煤矿提升机在运行过程中的调速水平，保证煤矿提升机处于安全稳定的工作状态。在煤矿提升机的操作系统中，PLC的作用更为重要。PLC作为一种数字化操作电子系统，能起到显著的存储器支持作用，在对机械设备或生产过程的控制中，主要负责执行一系列操作指令，包括逻辑运算、算术运算、顺序控制、定时、计数等，并输出数字信号或模拟信号。将PLC变频器应用在煤矿提升机运行控制中，可以有效控制提升机运行的速度、功率，并且能够实现无极调速。更为重要的一点是，依托PLC变频器的功能，可以确保煤矿提升机在启动和停止状态下的性能良好，不会因为负载对提升系统造成不良影响，所以对于提高煤矿提升机运行的安全系数有十分大的裨益。在进行基于PLC的变频调速系统设计时，可以分为两部分，一是设计变频系统，二是设计PLC系统。设计变频系统时，需要特别注意以下3点：（1）选择煤矿提升机适合的变频器容量。通常情况下，电机启动扭矩是额定转矩的1.7倍，考虑到电压波动率、额定负载的动态因子，必须确保电机可以有最大转矩，通常都是负载转矩的2倍。此外，如果是在覆盖输出功率时选择使用转换器的谐波量，则容易形成电机谐波损耗，针对此问题，在变频系统设计时要适当增大电流；（2）要特别注意煤矿提升机所使用的传感器，应确保其具有较高的敏感度。随着负载的不断增加，煤矿提升机的惯性也会相应增加，此时就需要通过敏感度高的传感器来确保动态获悉煤矿提升机的运行状态。目前，借助智能传感器可以有效控制交流电机的定子通量、转矩，同时在更新电机状态时可以使用电机软件模型、信号中心处理器，无论煤矿提升机是处于停机状态还是启动状态，都可以被有效监控；（3）要结合实际情况选择制动电阻，确保电阻具备良好的制动作用，能够最大限度降低负载对煤矿提升机形成的冲击作用。随着电动机负载的减小，直流回路会受到重力加速度的影响，此时会导致直流回路的电容器电压值增加，为了实现有效的速度控制，必须选用更大的制动电阻，所以制动电阻的科学化选用十分重要。

结语

将变频调速系统部署到提升机工程实践中，可以取得很好的效果，进一步提升煤矿的自动化水平，提升机的运行稳定性和可靠性显著提升。

参考文献

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