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摘要：針對(duì)傳統(tǒng)副井提升機(jī)系統(tǒng)在操控過(guò)程中無(wú)法保證較高的精度，調(diào)速性能、安保設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)施的不完善使提升機(jī)系統(tǒng)容易發(fā)生故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使生產(chǎn)停頓，生產(chǎn)率低下，難以滿足生產(chǎn)要求的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并擬定了提升機(jī)的電控系統(tǒng)解決方案。通過(guò)對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造，大大提升了副井提升機(jī)安全可靠性，降低了生產(chǎn)過(guò)程的能耗，節(jié)約了成本，同時(shí)生產(chǎn)效率也得到顯著改善。

關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻工頻高效節(jié)能

引言

副井提升機(jī)是礦業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中不可或缺的設(shè)備，副井提升機(jī)及其配套的控制設(shè)備是非常精密與嚴(yán)格的機(jī)械與電氣設(shè)備的組合。副井提升機(jī)需要在正常工況下保持高速往復(fù)運(yùn)行，即在地面和礦井之間，若發(fā)生電氣設(shè)備與機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞的情況，會(huì)影響整個(gè)礦井的生產(chǎn)安全及生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)礦井工作人員的生命安全造成不可估量的損失。由此可見(jiàn)，副井提升機(jī)的發(fā)展，不僅要保證提升機(jī)的高效性，更應(yīng)該提升其運(yùn)行安全穩(wěn)定性[1-5]。本文對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)從安全性、高效性、系統(tǒng)行為基礎(chǔ)準(zhǔn)則進(jìn)行改造，將原先老舊的電控系統(tǒng)升級(jí)為更具安全性、通用性、實(shí)用節(jié)能性的控制系統(tǒng)，對(duì)于后期設(shè)備維護(hù)與設(shè)備維修提供便利，為工程安全實(shí)施保駕護(hù)航，且有效降低了能源消耗量。

1礦井提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

電控系統(tǒng)是所有工程機(jī)械的控制核心，對(duì)于提升機(jī)的安全性及高效性而言，提升機(jī)的電控系統(tǒng)主要從以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：一是具有穩(wěn)定且高效的控制性能，電控系統(tǒng)的控制性能優(yōu)劣將直接體現(xiàn)在提升機(jī)運(yùn)輸?shù)男噬?；二是具有保護(hù)及突發(fā)意外情況時(shí)的保護(hù)功能。由PLC控制的變頻器作為礦井提升機(jī)動(dòng)力來(lái)源的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，變頻器可根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)同步改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特性，滿足對(duì)于提升機(jī)的平穩(wěn)及節(jié)能要求，因此基于PLC為控制核心、以變頻器作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的電控系統(tǒng)是提升機(jī)電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。礦井提升機(jī)由多個(gè)部件組成，其中液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為主要核心部件，控制著提升機(jī)的工作。電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)信號(hào)的接收和處理，通過(guò)PLC內(nèi)部整合后控制執(zhí)行器件動(dòng)作，控制相關(guān)電氣部件實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的整體控制。礦井提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2可編程控制器（PLC）電控系統(tǒng)

可編程邏輯控制器作為代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，被大量應(yīng)用在各行業(yè)生產(chǎn)生活控制系統(tǒng)領(lǐng)域中，是工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的一份子，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展之后，從簡(jiǎn)單的照明系統(tǒng)到復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)都離不開(kāi)以PLC為核心搭建的控制系統(tǒng)。PLC起源于20世紀(jì)60年代，為滿足美國(guó)汽車制造業(yè)發(fā)展而出現(xiàn)，現(xiàn)在其已經(jīng)不再局限于單純的汽車行業(yè)，而是廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制領(lǐng)域。可編程邏輯控制器在工業(yè)環(huán)境中主要使用西門(mén)子、三菱、歐姆龍、施耐德等，在綜合考慮成本問(wèn)題及安全性問(wèn)題的前提下，本設(shè)計(jì)選擇西門(mén)子的S7-300系列PLC，S7-300系列具有調(diào)試、運(yùn)行、停止和復(fù)位四種模式，以滿足提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。CPU模塊除作為控制核心完成設(shè)置的程序之外，還需要為背板總線提供5V直流電源作為其余模塊的供電電源，并通過(guò)MPI接口模塊進(jìn)行通信。

3外圍電路設(shè)計(jì)

3.1供配電

提升機(jī)作為聯(lián)系地面與礦井下方之間的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，要求提升機(jī)具有極高的安全性與可靠性，來(lái)滿足對(duì)人身安全與礦物運(yùn)輸安全保障。一旦提升機(jī)出現(xiàn)供電故障，會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失并造成不良后果，因此在提升機(jī)的供電方面需要考慮更為安全的供電模式，選擇考慮可以提供更高可靠性的雙回路供電方式。以變壓器轉(zhuǎn)380V作為提升機(jī)供電主電源，而在備用電源上則采用獨(dú)立的備用變壓器，以方便在主電源發(fā)生故障或定時(shí)檢修時(shí)保障提升機(jī)的正常工作。在配電柜中設(shè)置電源倒換開(kāi)關(guān)完成電源之間的切換功能。主控電源、PLC供電電源和輔助設(shè)備電源均采用AC220V，除此以外，通過(guò)小型變壓器轉(zhuǎn)換而來(lái)的還有DC220V、DC110V和DC24V電源，以滿足控制柜內(nèi)部的相關(guān)設(shè)備需要，包括但不限于控制柜內(nèi)部降溫系統(tǒng)供電和照明供電等。

3.2操作臺(tái)

操作臺(tái)是工作人員與機(jī)械設(shè)備互通的連接點(diǎn)，工作人員通過(guò)操作臺(tái)完成對(duì)提升機(jī)的操作，如運(yùn)輸?shù)V物與運(yùn)送井下工作人員。除此之外，操作人員還可以獲取提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和信息，因此，設(shè)計(jì)合理化的操作臺(tái)不僅可以提升提升機(jī)的工作效率，同時(shí)能夠提升提升機(jī)的安全性。該提升機(jī)的電控系統(tǒng)可能需要多個(gè)位于不同地點(diǎn)的操作臺(tái)，不同操作臺(tái)的信息與操作設(shè)置不同，但均需保留緊急安全控制按鈕，不同操作臺(tái)之間通過(guò)PLC控制信號(hào)來(lái)完成連鎖，共享各操作臺(tái)信息。設(shè)置井口的操作臺(tái)為主控臺(tái)，主控臺(tái)保留完整且詳細(xì)的設(shè)備操作功能。

3.3位置監(jiān)測(cè)

提升機(jī)電控系統(tǒng)需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)提升機(jī)的位置，以保證設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，在該電控系統(tǒng)中提升機(jī)的位置信號(hào)通過(guò)光電編碼器來(lái)提供，光電編碼器設(shè)置于主軸之上。隨著主軸的旋轉(zhuǎn)，光電編碼器也進(jìn)行相應(yīng)的方向運(yùn)行動(dòng)作并產(chǎn)生光電脈沖信號(hào)，編碼器旋轉(zhuǎn)一周能夠產(chǎn)生A、A-、B、B-脈沖信號(hào),通過(guò)對(duì)脈沖數(shù)的采集計(jì)算提升機(jī)設(shè)備的位置、轉(zhuǎn)向和速度，進(jìn)而通過(guò)PLC控制程序完成對(duì)提升機(jī)位置的檢測(cè)。

3.4深度指示器

深度指示器是礦井提升機(jī)安全保護(hù)設(shè)備中的組成部分，在此采用數(shù)碼管顯示和柱狀燈帶指示相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。數(shù)碼管為操作員提供精確的數(shù)值信息判斷罐籠位置，柱狀燈為操作員提供直觀的視覺(jué)畫(huà)面。且在設(shè)備連接上，數(shù)字式深度指示器擁有與PLC接口搭配簡(jiǎn)易、方便的優(yōu)點(diǎn)，型號(hào)為DPV-96的數(shù)字式深度指示器其輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)電平并行接口。

3.5井筒開(kāi)關(guān)檢測(cè)

光電編碼器在提升機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中為電控系統(tǒng)提供位置信息，保障設(shè)備運(yùn)行安全，是極為重要的裝置。光電編碼器為電控系統(tǒng)提供脈沖信號(hào)，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下，會(huì)出現(xiàn)丟失脈沖信號(hào)的特點(diǎn)，為減少丟失脈沖信號(hào)所累積的誤差，需要對(duì)光電編碼器信號(hào)矯正操作。在此選擇井筒磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)與光電編碼器互相搭配的方式來(lái)完成信號(hào)矯正操作，其工作原理為：在提升機(jī)某處易觸發(fā)設(shè)備處安裝感應(yīng)磁鐵，并在慢速區(qū)裝設(shè)磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)運(yùn)輸裝置達(dá)到某個(gè)觸發(fā)位置時(shí)，磁開(kāi)關(guān)被觸發(fā)并向PLC發(fā)射觸發(fā)脈沖信號(hào)，PLC內(nèi)部程序被觸發(fā)，將設(shè)置好的此刻的位置脈沖與此時(shí)的光電編碼器技術(shù)脈沖進(jìn)行對(duì)比，以補(bǔ)償誤差，達(dá)到消除光電編碼器信號(hào)誤差的目的。為了避免電壓降對(duì)于磁開(kāi)關(guān)脈沖的影響進(jìn)而影響檢測(cè)準(zhǔn)確度，選擇采用DC110V供電的磁開(kāi)關(guān)。

4軟件程序設(shè)計(jì)

本電控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要搭配使用的軟件主要包括PLC編程平臺(tái)、HMI組態(tài)兩個(gè)方面。STEP7作為S7-300系列PLC的編程平臺(tái)，本控制系統(tǒng)的PLC便通過(guò)STEP7進(jìn)行。首先，需要搭建控制系統(tǒng)PLC控制主程序流程，保護(hù)設(shè)置程序與報(bào)警程序獨(dú)立設(shè)置出來(lái)。在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)供電后，首先需要完成系統(tǒng)初始化的過(guò)程，而后PLC本身開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)自檢，自檢出錯(cuò)則報(bào)警反饋故障代碼。自檢完成與正確后進(jìn)行初始位置的判斷，位置監(jiān)測(cè)與反饋完成后執(zhí)行開(kāi)車指令。而后進(jìn)行同步信號(hào)的判定，若信號(hào)同步正確，則將進(jìn)行下一步主程序，信號(hào)不同步則進(jìn)行矯正。信號(hào)同步完成后進(jìn)入速度控制程序過(guò)程，而后按順序判斷各種信號(hào)是否滿足程序需求，若滿足需求則順序執(zhí)行，等待停止信號(hào)，結(jié)束程序，否則反饋對(duì)應(yīng)報(bào)警信號(hào)。HMI人機(jī)交互平臺(tái)選擇WEINVIEW的MT8000屏，與支持離線和在線模擬組態(tài)的組態(tài)軟件Easy-Builder8000搭配使用完成頁(yè)面組態(tài)。本設(shè)計(jì)采用離線模擬讀取靜態(tài)數(shù)據(jù)的MT8000觸摸屏的使用方式，在組態(tài)頁(yè)面開(kāi)發(fā)的過(guò)程中方便開(kāi)發(fā)人員隨時(shí)更改節(jié)約時(shí)間，無(wú)須重復(fù)下載程序。

5提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻器的參與可以控制電動(dòng)機(jī)在平穩(wěn)電壓之下進(jìn)行轉(zhuǎn)速的平均與恒定，且可以滿足在不同載荷情況下對(duì)電動(dòng)機(jī)提供不同大小的力矩與扭矩，滿足速度的平穩(wěn)，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果的同時(shí),實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)在工作運(yùn)行狀態(tài)中對(duì)于安全性的需求。變頻器的選型為提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容之一，其次則是變頻器的調(diào)試使用。變頻器的選擇需要對(duì)設(shè)備所需電動(dòng)機(jī)的功率及其在不同載荷下所能提供的扭矩能力所決定。因此。在考慮本系統(tǒng)的需求下，最終所選型變頻器的具體型號(hào)為5HK62-5B，根據(jù)提升機(jī)的工作要求，為其設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的PLC控制程序，并能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)在工頻和變頻兩個(gè)工況下切換運(yùn)行，其切換原理如下頁(yè)圖2所示。將改造后的電氣節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，就目前某煤礦的日常提升運(yùn)輸任務(wù)而言，在變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制下提升機(jī)處于低速運(yùn)行的時(shí)間約占提升機(jī)一個(gè)循環(huán)提升時(shí)間的25%左右；傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的控制下，在一個(gè)提升循環(huán)內(nèi)僅有10%的時(shí)間處于低速運(yùn)行時(shí)間。此外，提升機(jī)采用電氣節(jié)能控制系統(tǒng)后，在調(diào)速過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊明顯降低，間接地解決了提升運(yùn)輸?shù)某杀尽＞C合比較可知：電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可為提升機(jī)的實(shí)際提升任務(wù)節(jié)能約30%。

6結(jié)語(yǔ)

煤炭生產(chǎn)需求量的擴(kuò)大及礦井設(shè)備的數(shù)字化發(fā)展方向隨著國(guó)家政策的發(fā)展導(dǎo)向而進(jìn)行自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換，過(guò)時(shí)的老舊礦井提升機(jī)在安全性與高效性上與新型自動(dòng)提升機(jī)相比有著巨大的差距，本文對(duì)煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造和研究，為提升機(jī)電控系統(tǒng)的更新與研究提供了參考依據(jù)?；赑LC為核心的提升機(jī)電控系統(tǒng)不僅完成了高效化與自動(dòng)化，同時(shí)也順應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略完成了節(jié)能減排要求與數(shù)字化要求。項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果顯示，按照此指導(dǎo)方向而完成的電控系統(tǒng)安全、可靠且節(jié)能減排，除工業(yè)要求的系統(tǒng)控制精度較高之外，實(shí)際相關(guān)人員的使用滿意度與安全感也有較大提升。

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作者:梁將 單位:山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司