矿井提升机电气节能控制系统的设计与应用

王建龙

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西 阳城048108）

引言

提升机为煤矿生产的主要运输设备，其运输能力仅次于带式输送机。在实际生产中，提升机的提升效率、安全性和节能性直接影响综采工作面的生产。传统提升机电气系统主要以异步电机转子回路串电阻调速系统为主，该系统无法根据提升机的实际运量对其提升速度进行调整，导致出现“大马拉小车”现象，从而造成了电能的浪费。除此之外，提升机传统电气控制系统缺乏对设备的保护功能[1]。因此，本文着重对提升机电气控制系统进行研究，在实现其节能效果的同时，达到提升其可靠性的目的。

1 提升机电气控制系统的总体设计

本文以单绳缠绕式提升机为研究对象，其主要由提升容器、钢丝绳、电气设备、天轮以及装卸设备等组成。为实现提升机电气控制的节能运行效果和高可靠性，本文拟采用以PLC控制系统为电气控制系统的核心，实现对提升机从启动、加速、运速、减速、爬行至停机整个过程的节能、高可靠性控制。根据提升机的生产需求，对应其电气控制系统的结构框图如图1所示。

图1 提升机电气控制系统结构框图

如图1所示，提升机电气控制系统由主控制系统、辅助控制系统和监控系统组成[2]。其中，主控制系统主要完成对提升机工作方式和控制方式的确定；辅助控制系统主要完成对可调闸速度、制动速度闭环环节以及速度测定等环节的控制，其为提升机主控制系统的精准执行奠定基础；监控系统通过上位机显示器为用户提供了实时查看提升机运行速度、加速度、故障类型及位置等参数的界面，可保证用户实时获取提升机的运行状态。为保证提升机电气控制系统的可靠性和有效性，要求电气控制系统满足如下要求：当提升机用于升降作业人员时，其加（减）速度不得大于0.75 m/s2，当用于升降物料时，其加（减）速度不得大于1.2 m/s2；可保证提升机在重载条件下启动，且不会对其他设备及电网造成冲击；可实现对提升机的无级调速功能，保证在不同速度的平稳转换；可实现对提升机重载、超载等工况的保护功能，增设必要的联锁和保护环节。

2 提升机电气节能控制系统的设计

2.1 提升机主控系统的设计

提升机主控制系统的核心为PLC控制器，综合提升机电气控制系统的需求和PLC控制器的产品类型，最终所选型PLC控制器为三菱FX2N系列的PLC。

根据提升机主控制系统的控制需求，其输入点包括有主备PLC之间的输入、旋转编码器信号、操作台控制信号、外围设备开关量、模拟量信号等信息的输入。经统计可知：对应主控系统中外围设备开关量共有69个，模拟量信号量共有8个，旋转编码器的信号共有4路。PLC输出点包括有开关量和模拟信号的输出，其中开关量共有32个，模拟信号共有2个。提升机主控系统PLC控制器相关模块的选型结果如下页表1所示。

提升机主控制系统除了完成对提升机启动至停机等阶段的控制外，还需实现对提升机的保护功能[3-5]。根据所采集到的各种保护信号将事故的严重程度分为重事故信号和轻事故信号，并根据不同的事故等级完成对提升机不同的保护操作，提升机安全保护系统功能的实现如下页图2所示。

表1 PLC控制器相关模块选型

图2 提升机安全保护系统

2.2 提升机变频调速系统的设计

变频调速系统为实现提升机节能运行的关键，其能够实现对提升机提升速度的无级调速，从而解决了传统提升机调速系统在重载或者载荷突变工况下进行调速操作时对综采工作面系统和工作面电网造成的冲击，在实现节能效果的同时，提升系统运行的可靠性和安全性。

变频器的选型为提升机变频调速系统设计的主要内容之一，变频器选型主要依据系统电机的额定功率及其在载荷突变工况下的低频提供高转矩的能力。因此，针对本文提升机的应用情况，最终所选型变频器的具体型号为5HK62-5B；根据提升机的工作要求，为其设计对应的PLC控制程序，并能够实现系统在工频和变频两个工况下切换运行，其切换原理如图3所示。

图3 工频与变频调速系统切换结构示意图

3 提升机电气控制系统的应用

为验证本文所设计提升机的电气节能控制系统的应用效果，本文着重对该电气节能控制系统对提升机调速效果和节能效果进行具体分析。

3.1 平滑调速功能的验证

本文对提升机运行一个循环状态对提升容器速度的控制情况进行实时监测，得出如图4所得监测结果。

图4 变频调速系统对提升速度的控制效果

如图4所示，基于电气节能控制系统，提升机系统在前7 m内实现对提升容器的初加速阶段，并从7～73 m为系统的加速段，待匀速（8.38 m/s）运行443 m后系统开始减速运行。其中，在减速段运行距离约为65 m，待速度减至2.5 m/s后开始爬行，待爬行7 m后系统停机。在整个循环阶段，系统速度的变化趋势均相对平滑，满足平滑调速的要求。

3.2 节能效果的验证

将改造后的电气节能控制系统应用于实际生产中发现，就目前某煤矿的日常提升运输任务而言，在变频调速系统的控制下提升机处于低速运行的时间约占提升机一个循环提升时间的30%左右；而传统调速系统的控制下，在一个提升循环内仅有10%的时间处于低速运行时间。此外，提升机采用电气节能控制系统后，在调速过程中对系统造成的冲击明显降低，降低了系统维修的成本，间接地解决了提升运输的成本。

综合比较可知：电气节能控制系统的应用可为提升机的实际提升任务节能约20%。

4 结论

1）完成对提升机电气控制系统中PLC控制器、变频器的选型，并完成对提升机安全保护系统的设计；

2）经实践表明，提升机电气节能控制系统可实现对提升机从启动至停机整个运行阶段的平滑控制；并且实现提升机的变频节能调速控制后，每年可节约的电费约为之前控制下电费的20%。