矿井提升机电控系统改造与研究

梁 将

（山西兴新安全生产技术服务有限公司， 山西 太原 030024）

引言

副井提升机是矿业生产运输过程中不可或缺的设备，副井提升机及其配套的控制设备是非常精密与严格的机械与电气设备的组合。副井提升机需要在正常工况下保持高速往复运行，即在地面和矿井之间，若发生电气设备与机械结构出现损坏的情况，会影响整个矿井的生产安全及生产效率，严重时甚至会对矿井工作人员的生命安全造成不可估量的损失。由此可见，副井提升机的发展，不仅要保证提升机的高效性，更应该提升其运行安全稳定性[1-5]。

本文对提升机电控系统从安全性、高效性、系统行为基础准则进行改造，将原先老旧的电控系统升级为更具安全性、通用性、实用节能性的控制系统，对于后期设备维护与设备维修提供便利，为工程安全实施保驾护航，且有效降低了能源消耗量。

1 矿井提升机系统构成

电控系统是所有工程机械的控制核心，对于提升机的安全性及高效性而言，提升机的电控系统主要从以下两方面进行优化设计：一是具有稳定且高效的控制性能，电控系统的控制性能优劣将直接体现在提升机运输的效率上；二是具有保护及突发意外情况时的保护功能。由PLC 控制的变频器作为矿井提升机动力来源的电机的驱动系统，变频器可根据负载的大小来同步改变电机驱动的特性，满足对于提升机的平稳及节能要求，因此基于PLC 为控制核心、以变频器作为驱动设备实现的电控系统是提升机电控系统改造的优选方案。

矿井提升机由多个部件组成，其中液压系统、制动系统、电控系统、动力传动系统为主要核心部件，控制着提升机的工作。电控系统可实现对提升机信号的接收和处理，通过PLC 内部整合后控制执行器件动作，控制相关电气部件实现提升机的整体控制。矿井提升机系统构成如图1 所示。

图1 矿井提升机系统构成框图

2 可编程控制器（PLC）电控系统

可编程逻辑控制器作为代替继电器实现逻辑控制而开发的产品，被大量应用在各行业生产生活控制系统领域中，是工业自动化控制领域的一份子，经过数十年的发展之后，从简单的照明系统到复杂的工业过程控制系统都离不开以PLC 为核心搭建的控制系统。

PLC 起源于20 世纪60 年代，为满足美国汽车制造业发展而出现，现在其已经不再局限于单纯的汽车行业，而是广泛应用于各类工业控制领域。可编程逻辑控制器在工业环境中主要使用西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等，在综合考虑成本问题及安全性问题的前提下，本设计选择西门子的S7-300 系列PLC，S7-300 系列具有调试、运行、停止和复位四种模式，以满足提升机电控系统设计需求。CPU 模块除作为控制核心完成设置的程序之外，还需要为背板总线提供5 V 直流电源作为其余模块的供电电源，并通过MPI接口模块进行通信。

3 外围电路设计

3.1 供配电

提升机作为联系地面与矿井下方之间的运输机构，要求提升机具有极高的安全性与可靠性，来满足对人身安全与矿物运输安全保障。一旦提升机出现供电故障，会导致巨大的经济损失并造成不良后果，因此在提升机的供电方面需要考虑更为安全的供电模式，选择考虑可以提供更高可靠性的双回路供电方式。以变压器转380 V 作为提升机供电主电源，而在备用电源上则采用独立的备用变压器，以方便在主电源发生故障或定时检修时保障提升机的正常工作。在配电柜中设置电源倒换开关完成电源之间的切换功能。主控电源、PLC 供电电源和辅助设备电源均采用AC220 V，除此以外，通过小型变压器转换而来的还有DC220 V、DC110 V 和DC24 V 电源，以满足控制柜内部的相关设备需要，包括但不限于控制柜内部降温系统供电和照明供电等。

3.2 操作台

操作台是工作人员与机械设备互通的连接点，工作人员通过操作台完成对提升机的操作，如运输矿物与运送井下工作人员。除此之外，操作人员还可以获取提升机的运行状态和信息，因此，设计合理化的操作台不仅可以提升提升机的工作效率，同时能够提升提升机的安全性。该提升机的电控系统可能需要多个位于不同地点的操作台，不同操作台的信息与操作设置不同，但均需保留紧急安全控制按钮，不同操作台之间通过PLC 控制信号来完成连锁，共享各操作台信息。设置井口的操作台为主控台，主控台保留完整且详细的设备操作功能。

3.3 位置监测

提升机电控系统需要时刻监测提升机的位置，以保证设备的安全与稳定运行，在该电控系统中提升机的位置信号通过光电编码器来提供，光电编码器设置于主轴之上。随着主轴的旋转，光电编码器也进行相应的方向运行动作并产生光电脉冲信号，编码器旋转一周能够产生A、A-、B、B- 脉冲信号, 通过对脉冲数的采集计算提升机设备的位置、转向和速度，进而通过PLC 控制程序完成对提升机位置的检测。

3.4 深度指示器

深度指示器是矿井提升机安全保护设备中的组成部分，在此采用数码管显示和柱状灯带指示相结合的设计方案。数码管为操作员提供精确的数值信息判断罐笼位置，柱状灯为操作员提供直观的视觉画面。且在设备连接上，数字式深度指示器拥有与PLC 接口搭配简易、方便的优点，型号为DPV-96 的数字式深度指示器其输出接口为标准电平并行接口。

3.5 井筒开关检测

光电编码器在提升机的运行过程中为电控系统提供位置信息，保障设备运行安全，是极为重要的装置。光电编码器为电控系统提供脉冲信号，长时间的运行下，会出现丢失脉冲信号的特点，为减少丢失脉冲信号所累积的误差，需要对光电编码器信号矫正操作。在此选择井筒磁感应开关与光电编码器互相搭配的方式来完成信号矫正操作，其工作原理为：在提升机某处易触发设备处安装感应磁铁，并在慢速区装设磁感应开关，当运输装置达到某个触发位置时，磁开关被触发并向PLC 发射触发脉冲信号，PLC 内部程序被触发，将设置好的此刻的位置脉冲与此时的光电编码器技术脉冲进行对比，以补偿误差，达到消除光电编码器信号误差的目的。为了避免电压降对于磁开关脉冲的影响进而影响检测准确度，选择采用DC110 V供电的磁开关。

4 软件程序设计

本电控系统的实现需要搭配使用的软件主要包括PLC 编程平台、HMI 组态两个方面。STEP7 作为S7-300 系列PLC 的编程平台，本控制系统的PLC 便通过STEP7 进行。首先，需要搭建控制系统PLC 控制主程序流程，保护设置程序与报警程序独立设置出来。在系统开机供电后，首先需要完成系统初始化的过程，而后PLC 本身开始进行系统自检，自检出错则报警反馈故障代码。自检完成与正确后进行初始位置的判断，位置监测与反馈完成后执行开车指令。而后进行同步信号的判定，若信号同步正确，则将进行下一步主程序，信号不同步则进行矫正。信号同步完成后进入速度控制程序过程，而后按顺序判断各种信号是否满足程序需求，若满足需求则顺序执行，等待停止信号，结束程序，否则反馈对应报警信号。

HMI 人机交互平台选择WEINVIEW 的MT8000屏，与支持离线和在线模拟组态的组态软件Easy-Builder8000 搭配使用完成页面组态。本设计采用离线模拟读取静态数据的MT8000 触摸屏的使用方式，在组态页面开发的过程中方便开发人员随时更改节约时间，无须重复下载程序。

5 提升机变频调速系统的设计

变频器的参与可以控制电动机在平稳电压之下进行转速的平均与恒定，且可以满足在不同载荷情况下对电动机提供不同大小的力矩与扭矩，满足速度的平稳，在实现节能效果的同时,实现电控系统在工作运行状态中对于安全性的需求。变频器的选型为提升机电控系统变频调速系统设计核心内容之一，其次则是变频器的调试使用。变频器的选择需要对设备所需电动机的功率及其在不同载荷下所能提供的扭矩能力所决定。因此。在考虑本系统的需求下，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，其切换原理如下页图2 所示。

图2 工频与变频调速系统切换结构示意图

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25%左右；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，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30%。

6 结语

煤炭生产需求量的扩大及矿井设备的数字化发展方向随着国家政策的发展导向而进行自动控制转换，过时的老旧矿井提升机在安全性与高效性上与新型自动提升机相比有着巨大的差距，本文对煤矿提升机电控系统的改造和研究，为提升机电控系统的更新与研究提供了参考依据。基于PLC 为核心的提升机电控系统不仅完成了高效化与自动化，同时也顺应国家发展战略完成了节能减排要求与数字化要求。项目运行结果显示，按照此指导方向而完成的电控系统安全、可靠且节能减排，除工业要求的系统控制精度较高之外，实际相关人员的使用满意度与安全感也有较大提升。