华阳一矿提升机高压变频电气控制系统节能改造

郭明明

（华阳一矿机电工区，山西 阳泉 045000）

1 概况

煤矿提升机是矿山开采的重要设备之一，电控系统是提升机的核心部分，电控系统的可靠运行对矿井的工作效率和安全生产有着重要作用。以前我国煤矿凿井施工中使用的提升机电控系统，大多采用的是串电阻调速或低压变频电控系统，虽然操作控制部分已经使用PLC 控制系统，但仍然不能适应煤矿凿井期间对提升机控制系统和提升功率的要求。这种传统形式的控制系统不仅能源耗费量大，稳定性也差，导致工作效率低下，故障频发，给施工操作人员的生命安全带来极大的威胁。因此，提升机高压变频节能电控系统的应用，对整个行业的安全、高效运行起着决定性作用。在华阳一矿主立井凿井施工中，采用了由洛阳源创公司生产的JKD/GBP-NT 型高压变频器，提高了提升系统运行的安全性和可靠性，工作效率明显提升，节能效果显著。

2 凿井施工中提升系统改造目的

华阳一矿回风井凿井施工中，安装使用2JK-4 X2.1 型矿用提升机，如图1 所示。该提升机最大提升负荷160 kN，提升速度5.2 m/s，电机功率1000 kW。为了改进凿井施工中提升系统的安全性，将原使用的串电阻调速电控系统改造为洛阳源创公司生产的JKD/GBP-NT 型高压变频调速电控系统，该系统可简化工作程序，节约能源，显著提升工作效率。

图1 2JK-4X2.1 型矿用提升机Fig.12JK-4X2.1 mine hoist

3 提升机高压变频调速系统的功能要求

矿井提升机高压变频电控系统有2 个子系统，即PLC 控制系统和监控系统。

3.1 PLC 控制系统功能要求

控制系统需用双PLC 网络化控制，分为主控PLC 和辅控PLC。主控PLC 完成提升机的“启动-加速-等速-减速-爬行-停车”的整个过程控制及各项保护功能；辅控PLC 协助主控PLC 完成过程控制，并具有独立的必要保护。主控、辅控PLC 间通过网络通讯相互交换数据并互相监视实现双线制控制。控制系统应具备应急开车功能，当PLC 故障时，能够低速运行，这对保障现场工作人员能够正常进出非常重要。双PLC 控制系统的主要特征如下。

（1） 选用2 套PLC 互为CPU 冗余控制，主、辅PLC 之间相互通讯及监视，操作过程实现双线控制方式。对提升机运行关键信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等） 均采用双线制或多线制保护，互为监视。

（2） 具有3 条安全保护回路，其中软件安全回路2 条、硬件安全回路1 条。多条安全保护回路之间互相冗余，保证矿井提升的高效、安全运转。轻重故障具有声、光报警或预报警。

（3） PLC 故障应急开车的情况下，硬件安全回路起作用。

3.2 监控系统的要求

监控系统采用上位机形式，上位计算机与PLC网络通讯，在调试期间可作为PLC 的编程器，在设备正常运行期间起到监控的作用，提供实时显示、记录、报表等功能，配有WinCC 软件平台、全汉字界面。

监控软件实现以下功能：提升系统动静态画面生成，对提升机系统发生的轻、重故障进行诊断和保存，实现综合后备保护功能；能显示故障发生的位置、时间、原因以及故障前的有关数据参数，对深度、速度实时值、提升种类、信号情况进行实时显示并记录，相当于飞机上的“黑匣子”功能。

4 现场应用

华阳一矿主立井凿井施工矿用提升机电控系统选用洛阳源创电气有限公司生产的JKD-NT-GBPFVA-160OKW/10(6)-6KV-200A 型网络化提升机成套高压变频调速电控系统，如图2 所示。该产品是国内高压变频器较优秀的厂家之一，技术先进、抗干扰能力强，变频器控制电路板、功率单元等核心部件厂家均可自行生产，产品性价比较高，符合华阳一矿实际使用要求。该设备专有技术——零速电气安全制动，可在液压制动系统失灵的情况下，靠零速电气安全制动，能够避免高速过卷事故。

图2 成套电控系统Fig.2 Complete set of electronic control systems

4.1 高压变频调速系统主系统部分

高压变频调速控制系统是通过PLC 编程控制和高压变频器二者结合组成的。在该系统运行过程中，输入6/10 kV 的高压交流电，通过移相变压器将高压电源转换成15 组60O V 低压电源，给高压变频器功率单元供电，并通过IGBT 驱动板控制功率单元使频率转换后输出符合要求的电压、电流。电机的转速根据输出频率随时调整，这种功能通过PLC 的计算机编程和高压变频器的相互结合来共同实现，提升煤矿提升机整体速度的调控水平。

4.2 PLC 控制部分

PIC 控制编程部分是整个提升机的关键，对机器的稳定运行起着决定性作用。选用德国西门子S7-1500 型PLC（图3），该设备运行稳定、操作简单易懂，在市场上应用较广。该系统是实现指令传输和实时监控的重要控制平台，其工作原理是通过PLC 的指令控制和监控系统使煤矿提升机的运行路线沿S 形曲线合理运转。使用光电编码器进行提升容器位置、速度的检测，并在上位监控系统显示。系统能够实现过卷、过速、过负荷、欠电压、限速及测速断线保护；实现对急停、通讯故障、定点过速、错向运行、溜车、松绳等故障的检测，其中过卷、过速、限速、减速等实现相互独立的双线或多线保护。整个过程一旦发现问题，PLC 监控系统能够及时提醒，避免现场出现重大安全事故，保障工作人员的生命安全。

图3 西门子S7-1500 型PLCFig.3 Siemens S7-1500 PLC

5 预期效果

（1） 采用PLC 控制变频调速的矿井提升系统，避免了原来转子串电阻调试系统金属电阻烧毁严重、电控间温度高所造成的能源浪费。2 套PLC进行冗余保护，避免单套损坏造成矿井停产。保护功能齐全，在满足2016 版《煤矿安全规程》对提升机保护装置设置要求外，另加了多种保护功能，并且大多为双线保护。

（2） 使用PLC 控制调速系统后，提升机司机误操作减少，系统运行更加稳定、可靠，抗干扰性能大为提高。

（3） 满足了华阳一矿对数字化提升系统的要求，为公司的统一管理、远程监控提供了技术支持，具有很好的推广价值。

（4） 节约电能20%～30%，且调速曲线平滑，对电网有利，系统稳定性好。

（5） 减轻了维运技术人员工作量，提高了生产效率，节约了安装调试成本，经济效益可观。

6 结语

随着科技的不断进步，煤矿提升机控制由传统的串电阻调速到转子变频，再到国产高压变频调速。通过采用可编程控制器PLC 与高压变频器有效结合的方案，实现提升机的自动化控制和故障显示。经华阳一矿回风井项目实践表明，JKD/GBPNT 型高压变频调速电控系统切实可行，能够有效提高控制系统的可靠性、安全性、抗干扰能力和控制精度，确保煤矿提升机的正常运行，实现提升机的安全节能生产。