矿井主井提升机控制系统分析研究

李建国

摘 要：为了提升矿井提升机的智能控制系统，本文通过对前人研究成果进行分析，给出了矿井提升机整体的架构，并对提升机的硬件及软件进行一定的分析，同时给出了矿井提升机变频控制系统的设计，有效的提升了矿井提升机控制系统的稳定性、高效性及安全性，为我国矿井智能化作出一定的贡献。

关键词：提升机;控制系统;变频器;稳定性

矿井提升机作为矿井生产中重要的设备，其在矿井工作面和地面起到了纽带的作用，提升机运行性能直接关系到矿山的正产生产。由于矿井提升机的结构较为复杂使得在运行过程中一旦某个部件发生一定故障时，整个提升机的安全均会受到影响，同时由于矿山环境本身较为恶劣，使得提升机发生故障的几率大大增长，所以为了对提升机的安全性进行保障，对提升机的运行状态进行实时监控是十分必要的[1-2]。此前王新亮对矿用提升机工作状态的监控和故障诊断系统进行研究，将设计后的系统进行现场实测，发现该系统的监测及故障诊断均达到目标效果，大幅度缩短提升机故障维修时间及维修强度，具有一定的应用价值。王峰给出了提升机控制系统设计方案，同时基于双三电平变频器和PLC对提升机控制系统进行设计，保证了提升机运行系统的可靠性。经过现场运行验证了设计的可行性，为提升机安全运行提供一定的参考。本文基于网络技术建立了矿井提升机故障诊断系统的结构，为矿井提升机的智能控制作出一定的贡献。

1 矿井提升机系统分析

矿井提升机是连接井下和井上的重要设备，利用钢丝线与滚筒间的摩擦作用提升箕斗，完成物料的提升工作。提升机主要是由滚筒、电机、天轮、箕斗等组成，其中根据的电机传动方式的不同，将电机分为交流电机和直流电机，电机在提升机中为动力部件，为矿井提升机重要组成部分。滚筒主要用于钢丝线的悬挂，箕斗用于装载提升物料。

根据我国的标准，选定三相交流调速同步电机，电机选定为YY连接，励磁电流为441A，电压为223V，电动机的转速为45r/min。相比于异步电机，同步电机达到稳定时转速为同步转速，此时的机械特性硬。同时交流电机除了定子具备磁动势，转子同样具有直流励磁，这是使得电机在较低频率时仍可进行操作。同时同步电机的调速范围更大，通过增大转矩角增大转矩使得电机可以抗拒更大的转矩扰动，且响应速度更快。同时经过对比发现同步异步电机的定子结构类似，变频调速方式相同，所以在基频以上控制选用电压恒定模式，反之选用定子压降补偿恒压频比值控制模式。一般的提升机速度控制是通过提升转子电阻增大能耗来实现的，本系统利用变频器来控制电机转速及电流，达到一定的节能目的。

在原有的矿井提升机系统中由于使用的电器元件较多，易发生系统的故障，使得提升机的运行得不到应有的保障，所以本此设计加入可编辑的PLC控制器，不仅可以提升变频调速性能，同时提升的效率及容量方面均有一定的增加。选定的PLC控制器主要由CPU、输入输出接口、存储器和电源等构成，PLC硬件结构图如1所示。

CPU是PLC控制器的大脑，他可以实现数据的储存、编程错误识别、数据通讯等，他会按照运算逻辑完成指定任务。存储器是用于用户数据、运行数据及程序数据等的存储，主要由两个部分组成系统程序存储器和用户程序存储器。输入输出模块主要用于整个系统中的信息传输，通过自动化执行单元实现整个系统的控制。电源是控制系统开关的部件，电源的输出可以分为两种24V和6V，主要用于PLC中存储器和CPU等的电量供给。外部设备对控制系统进行监视和调试，实行有效的人机操作。

PLC控制器在运行过程中会对信号处理、诊断故障、控制数据输入和输出和为外部设备提供服务。其主要工作是将指令顺序支部执行，直到运行结束，重新回到系统的第一条指令，并开始下一轮的循环。其中扫描一次的时间为一个扫描周期，周期的长短和程序的长短及扫描速度。在电气传动过程中，变频器技术有很大的优势，主要体现为系统节能、适用途径广和调速功能等。目前变频器根据其交流方式可以分为交交变频器和交直交变频器两种。

2 矿井提升机变频控制系统分析

在矿井提升机系统研究的基础上对变频控制系统进行分析，为了对控制系统进行优化，本次设计选用双PLC冗余技术、同步电机矢量控制技术及PID变频器控制技术进行优化。矿井提升机控制系统主要是对运行数据、安全信息及变频器的运行数据进行分析，对矿井提升机控制系统进行准确的控制。PLC控制器选择为S7-400和S7-300，通过逻辑运算等操作实现人机交换、故障保护等控制。为了保证系统的安全运行，系统增加错向保护、保护极限上下过卷、二级制动保护、速度同步保护等，同时系统采用12脉动和6脉动切换作业方案，在提升机某部件发生故障后仍可运行。系统速度图如2所示。

高压供电选择为HV1和HV2的10kV供电线，二者间互锁关联，不存在互扰，在供电装置中增加微机综保，实现电路中过流过压及短路等保护。在矿井提升机房内设置干式变压器，一次电压为10kV，二次电压为400kV。低压配电部分电压选用380V/220V，系统选定双回路进线，如果有一条线路发生故障时，可以随时切换另一线路进行供电。

变频单元选择为SIEMENSE SL150，此变频单元具有较高的加工精度，内部保护功能较高，能较好实现过流过压的保护。矿井提升机的安全保护需要对提升机的运行进行多重的检测和校验。不仅在硬件上需要增加安全设计同时在PLC软件的回路中需要增加故障及威胁信号报警。当系统出现故障时，此时提升机进入保护模式，根据故障分析结果进行不同的处理。根据故障不同大致分为：电机绕组热量较大，电机制动油液过热时需要及时制动;冷却温度较高时不能进行二次开车;停车时發现停车设备出现故障及时进行停车;发生超速及过卷时进行安全制动。同时当控制信息发生缺失时，立即进入安全回路，提升机停止工作。

人机交互系统设计，上位监控采用三星彩色显示器，同时选择WindowsXP系统。通过上位监控对系统的运行过程进行实时监控，同时可以对各个参数进行调整，数据的储存时间为10天，既可以有效查看数据同时也降了数据量大的问题。计算机网络设计时需要提升机控制系统能够提供通讯接口和以太网接口，方便提升机的数据采集及交流。

3 结论

本文在原有的矿井提升机基础上，给出了矿井提升机整体构建，对系统中的硬件及软件进行了一定的介绍，同时对矿井提升机控制系统进行了一定分析，给出了控制系统各部件的选型及工作流程，并对各个部分进行逐个分析，根据系统目标的安全性、可靠性及高效性等对变频控制系统进行硬件选择，保证了矿井提升机整体在技术上的可行性及可靠性。

参考文献：

[1]郭宇锋，张棚，亚鸿斌，杨红英，钱伟.红河复烤梗提升机运行故障分析[J].河南科技，2019（31）：35-37.

[2]吴秀祥，王聪，王晶，王畅.煤矿提升机传动特性检测系统的设计与分析[J].煤炭工程，2014，46（04）：20-22+25.