矿井提升机调速控制技术研究

赵宇飞

(山西晋煤集团 沁秀公司 坪上煤业有限公司，山西 晋城 048000)

0 引言

提升机是煤矿企业的重要机械设备，是井下与地面之间物料、人员运输的唯一通道，为避免设备和人员运输过程中的损伤，同时保证较高的运输效率，需进一步提高提升机运行的安全性和稳定性。提升机工作过程中，需频繁地启停、加减速和改变运行方向，因此核心问题之一是对提升机运行速度进行有效、合理的控制。针对这一问题，本文对提升机运行速度的优化控制方案进行了研究。

电气控制系统是提升机工作的核心，为提高提升机的速度控制稳定性，应对控制系统进行技术升级，通过实施新的技术方案和工艺措施不断突破生产瓶颈。当前，PLC控制技术的工业应用已非常成熟，可直接替代原有的“继电器+接触器”的速度控制方式。同时，交流电机变频控制技术的应用也日渐广泛，两者结合，可实现对驱动部件的启停、加减速的精确控制，使其按程序设定的速度曲线平稳运动，并便于进行远程监测和控制[1-3]。

1 提升机系统组成

提升机运动频繁，组成结构复杂，一般由主传动装置、卷筒装置、制动装置、深度指示装置和控制系统等组成，具体如下：

(1) 主传动装置：主传动部分主要包括主电机和主减速机，负责为提升装置提供动力，并保证输出特定的转速和扭矩。其中，主电机可采用直流或交流电机，直流调速电机控制方便，但其抗过载能力差，而交流变频电机的抗过载能力强、速度变化平稳、维修方便，价格也更具优势，因此被越来越广泛使用。

(2) 卷筒装置：卷筒装置主要由主轴、固定卷筒、活动卷筒、轮毂、调绳装置等组成，钢丝绳缠绕在两卷筒之间，在主轴驱动下两卷筒转动，带动提升容器完成上升和下降动作。

(3) 制动装置：目前提升机主要采用液压制动，因此制动装置主要由液压站、液压制动器等组成。通过对油压进行控制，可实现恒制动力或恒制动力矩控制。

(4) 深度指示装置：为最大程度地保证运输的安全性，矿井提升机需配置深度指示装置，以实时显示提升容器在矿井中的位置。

(5) 控制系统：控制系统是提升机的核心单元，主要由电气柜、传感器、监视器和操作台等组成，负责所有机械、液压和电气设备的控制，包括设备启停、加减速、电气安全保护等[4-5]。

2 提升机运动特性分析

为促进安全生产，煤矿安全规程中对提升机的运行速度等进行了规定，其中，为保证准确停车，需要在停车前设置一段低速爬行阶段，另外，要求电动机的转速变化率小于0.1%。如图1(a)所示，在一个提升循环中，提升机的运动主要分为主加速阶段、匀速阶段、主减速阶段、爬行阶段和停车阶段，下降与提升过程相似。提升机运行过程中，其动力学方程为：

(1)

其中：Te为电机的电磁转矩；TL为电机的静负载转矩；Td为电机的电磁动力矩；GD2为系统机械惯量，G为转动部分的重量，D为转动部分的回转直径；n为电机转速；t为时间。

图1(b)为提升容器的加速度a的变化曲线；图1(c)为电机的静负载转矩变化曲线，由于提升过程中外部负载不变，因此TL保持不变；图1(d)为电机的电磁动力矩变化曲线，由于Td与提升容器的加减速运动相关，因此其变化趋势与加速度a的相同；图1(e)为电机的电磁转矩变化曲线，Td与TL之和即为Te，可见，随着提升机运动，Te的大小和极性不断变化，因此要求提升机的电力拖动系统满足四象限运行。

3 提升机变频调速控制系统组成

3.1 变频调速方法

根据电磁学原理，电机的输出转速与输入的交流电频率相关，但工业用电的频率是恒定的，因此为实现电机转速控制，需利用变频技术，根据不同转速需求，调整交流电的频率。采用变频器可实现交流电的频率转化，且可得到连续变化的输出频率，最终实现电机输出转速的无级调整。

图1 提升机动力系统运动特性参数变化曲线

常见变频方式分为交-直-交变频和交-交变频两种，前者首先通过整流，将交流电变为直流电，然后再进行变频和逆变，最终输出特定频率的交流电；后者则直接对交流电进行变频操作。本文采用体积小、维护方便、技术成熟的交-直-交变频方式。另外，对于变频电机的控制方式，采用较为稳定的矢量控制法，即将流经电机定子的电流分为转矩电流和励磁电流两部分，然后分别对这两部分进行控制，最后合成与直流电机相似的电机动态特性。

3.2 控制系统组成

提升机控制系统组成如图2所示，主要由操作台、上位机、PLC控制系统、信号采集系统和变频器等组成。其中，操作台用于现场操作和控制，上位机主要负责设备运行状态监测及远程控制。上位机和操作台向PLC控制系统发出转速控制信号，然后由变频器输出特定频率的交流电，最终驱动电机按指定转速旋转。电机转子尾部安装的旋转编码器获得当前电机的转速信号，并反馈至PLC控制系统，形成对转速的闭环反馈控制。

图2 提升机控制系统组成

4 控制系统硬件设计

4.1 PLC控制装置

两套控制装置均采用Siemens S7-300系列PLC，Siemens S7-300的环境适应能力较强，可承受短时负载冲击，且易于进行编程，输入和输出接口丰富，可方便实现对多路传感器信号的运算和处理。正常情况下，两台PLC均投入使用，一台负责设备主控，另一台负责监控保护。

主控PLC除处理转速信号外，还可对电压、油压、位置信号等进行处理，及时控制实现加速、减速、制动等操作，使提升机平稳运行。当主控PLC正常工作时，监控PLC的输入和输出接口闭锁，只能监视主控PLC的运行状态，并对其数据进行实时拷贝。一旦主控PLC发生故障，监控PLC将获得控制权，接管整个系统的控制，从而保证系统的稳定运行，不致发生失控故障。

4.2 变频器

变频器型号选择SB61G110KW，其动态稳定性较好，具有拟超导和矢量控制能力，可对接地、过载、短路等故障进行快速保护。另外，该型号变频器调速过程基本不受负载等变化的影响，且适应井下特殊工作环境，可靠性较高。

图3为该型号变频器的电气工作原理图。图3中，断路器和接触器主要负责对电路进行故障保护和启停操作，交流电源由R、S、T三个线端接入变频器内，经过整流、变频和逆变等操作后，向电机输入设定频率的交流电，从而获得指定的输出转速。另外，电路中的电抗器La和LA，主要是抑制谐波传入变频器，并提高设备的功率因数和工作稳定性；降噪滤波器LB主要用于抑制外界电磁干扰对变频电路的影响；热继电器FR的作用是进行断相和过载保护。

图3 变频器电气工作原理图

4.3 信号采集装置

选择Siemens ET-200作为提升机的信号采集装置，可对电机和滚筒转速、提升容器位置、液压站信号、润滑站信号等进行信号采集，并送入主控PLC进行数据处理。

5 提升机控制系统软件设计方案

控制系统的程序流程如图4所示，首先进行程序初始化和系统自检，然后依次启动液压站和润滑站，并判断是否可开车，当提升机运行后，对提升容器的位置信息实时进行显示和反馈，PLC控制系统按设定的速度曲线控制电机运动，同时对超速、松绳、过载、过卷等故障进行监测，判断是否进行报警或停机。

图4 控制系统程序流程图

6 结论

提升机是煤矿的重要机械设备，为提高其运行过程的稳定性和安全性，本文首先对提升机的系统组成和运动特性进行了分析，然后对基于变频技术的电机调速方法和控制系统结构进行了研究，在此基础上，分别对控制系统中的PLC控制装置、变频器、信号采集装置等硬件设备的选择和工作原理进行了分析，并制定了控制软件的程序流程图。本文所述方法对煤矿提升机的控制系统设计和改造具有积极参考意义。