煤矿提升机变频调速控制系统研究

李文强

（潞安化工寺家庄公司，山西 晋中 045300）

0 引言

煤矿提升机设备作为重要的物料人员转运设备，其运行性能的好坏直接关系到工作人员的生命安全以及煤矿企业的生产开采。通常对提升机运行过程使用直接启动或软启动的方式，但这种控制方式无法实现提升机设备的精准变频控制，而且冲击性较大容易造成设备损坏，故障发生率高，容易引发安全事故。通过应用变频调速系统来实现提升机设备的调速控制，控制精度更高，系统运行性能也更为稳定可靠。本文通过利用上述变频调速技术设计一种变频调速控制系统，来确保矿用提升机设备启停控制中的调速稳定性。

1 提升机变频调速系统设计方案

对于矿用提升机变频调速系统的结构设计主要包括提升机运行状态监控单元、PLC 控制器设计、变频电机、减速器以及液压控制系统设计等，具体系统机构组成如图1 所示。

1）监控单元。在变频调速系统运行过程中，提升机运行状态监控单元即状态检测系统，通过PLC 控制器接收到的监测信号来将提升机设备的运行状态、故障记录等进行实时显示。

2）PLC 控制器。为了确保PLC 控制器的稳定运行效果，分别设计了主控PLC 以及保护监测PLC 两套系统，可确保提升机调速系统的安全可靠运行，其中主控PLC 单元用于下达控制执行命令，保护监测PLC 单元用于对提升机设备的运行状态参数进行监测记录，并对运行故障进行监测预警。

3）变频电机、减速器。变频电机中的变频器元件负责对PLC 控制器中的控制信号进行接受执行，同时可根据输入的频率变化情况驱动电机运转，旋转编码器可以通过对电机运转过程中的速度进行监测，从而得出提升机的提升距离等信息。

4）液压控制系统。液压控制系统通过在提升机运行过程中，液压站向卷筒提供制动力，来防止提升机启停瞬间的溜车现象，确保提升机设备的安全稳定运行[1]。

2 变频调速系统硬件设计

2.1 变频器选型设计

基于煤矿恶劣的工作环境，对各设备进行选型设计要考虑到在井下运行的可靠性。因此对变频器的选型拟采用SB61G110KW 型号森兰公司研发的变频器设备，该变频器设备可以实现在速度以及负载参数不断变化情况下的稳定运行效果，同时还具备矢量控制能力，可以实现短路、过载等状态下的电路快速保护。

2.2 PLC 控制器选型设计

在对PLC 控制器进行选型设计时，为确保提升机主控PLC 单元故障情况下不影响提升机设备的正常运行，同时设计一套保护监测PLC 控制单元。其中，设备主控PLC 单元可以对矿用提升机设备的运行速度曲线进行控制，通过对提升机各运行参数的优化来达到最为稳定高效的运行状态；而保护监测PLC单元作为提升机设备的备用控制单元，可以用于对提升机设备的运行速度、卷筒运行状态、提升机提升高度等参数进行数据收集记录，并在提升机出现运行异常状态时下达指令进行预警保护等，确保提升机设备运行过程中的安全可靠[2]。

对于主控PLC 单元选型拟采用S7-300 型号，而备用保护监测PLC 单元拟采用S7-200 型号。前者PLC 控制单元的特点在于在短时冲击载荷下的抵抗性较强，适用于井下提升机设备的运行特征，而且该型号PLC 元件易于编程，方便后续数据信号处理及逻辑计算。在该PLC 元件上的多I/O 接口可以实现对电机各电压、电流、运转速度等参数数据信号的接收，实现液压系统的多种形式下的制动效果，可以确保提升机设备的调速运行更为平稳[3]。

3 变频调速系统程序设计

3.1 逻辑控制方案

首先利用逻辑控制方案进行主控PLC 单元编程设计，通过对变频器的频率进行逻辑输出控制，确保提升机设备按照上述运行速度曲线轨迹进行提升作业，从而实现提升机设备变频调速控制系统的控制流程；而对于保护监测PLC 单元来说，主要是进行一些提升机运行状态数据的收集工作，包括超速、过载、电流、温度等参数信息，通过对这些数据信息进行对比分析，及时对矿用提升机的异常运行状态进行报警处理，确保提升机设备的安全稳定运行[4]。

如图2 所示，主控PLC 单元在变频调速系统启动时进行程序自检，出现异常状态报警并进行故障诊断处理，若自检程序正常运行则提升机设备启动，并同步启动液压站制动器以及润滑装置，在提升机设备运行过程中若按照设定速度曲线平滑变速，则进行后续运行状态监测，若与设定速度曲线出现运行偏差，则启动校正程序并对偏差位置进行显示。在上述故障诊断处理以及运行状态监测程序控制中主要是对保护监测PLC 单元进行程序设计，通过对提升机设备的超速、松绳、过载、卷筒过卷以及异常停机状态进行自检，出现上述故障情况立即停机报警，确保提升机设备运行过程中的安全稳定。

图2 逻辑控制方案流程图

3.2 调速控制曲线

矿用提升机设备的变频调速功能运行流程为：提升机操作人员控制提升机设备开启启动，主控PLC单元控制变频器输出设置频率下的电流信号，同时液压系统制动器将同步运行，提升机设备开始启动运行。在运行过程中，提升机设备的运行速度变化情况将取决于程序中设计运行曲线，因此该运行曲线将直接决定提升机设备的运行稳定性，并影响到提升机设备的使用寿命。本文设计出的变频调速控制系统运行曲线为7 段式梯形运行速度控制曲线，如图3 所示。可以实现提升机运行过程中的快加速运行、均匀加速运行、慢加速运行、均速运行、快减速运行、均匀减速运行以及慢减速运行7 个运行过程，这种设计方式可以实现提升机设备运行过程的平滑调速，因此更适合对矿用提升机设备进行运行速度控制。

可以看出，矿用提升机设备的运行速度曲线控制包括梯形运行速度曲线以及加速度运行曲线，通过在t1～t7时间段分别设定加速度线性增大、恒定、线性减小、恒定、线性减小、0、线性增大这7 个加速度变化状态，实现矿用提升机设备在调速控制过程中速度的加速度增大的变加速、匀加速、加速度减小的变加速、匀速、加速度增大的变减速、匀减速、加速度减小的变减速7 个速度变化状态，从而实现控制提升机设备在变速调节过程中的速度平滑调节效果。对提升机设备进行平滑稳定速度调节，避免提升机设备运行过程中的冲击性造成的部件损坏或制动失灵等运行故障。

4 应用效果

将设计完成的煤矿提升机变频调速控制系统进行工程实际应用，经过3 个月的试运行得出以下结论：设计出的变频调速系统运行可靠稳定，PLC 控制器可以实现对变频器节点的精确控制，各系统组件信号交流稳定通畅，井下工作性能保持稳定；控制提升机电机速度反转时，系统可实现将速度按照控制曲线进行自适应调节，到一定范围后进行反转操作，避免了速度快速变化对电机及提升机设备造成的冲击破坏。

5 结语

现有矿用提升机设备控制系统调速性能较差、故障发生率高，利用交流变频调速的方式，提出一种煤矿提升机变频调速系统设计方案。主要包括对变频器、PLC 控制器等部件进行选型设计，并对提升机变频调速监控系统软件部分进行设计，在提升机速度控制器曲线设计过程中，采用梯形变速调节设计来增强提升机变速调节过程中的平滑性，同时在逻辑控制方案中对PLC 控制器进行编程，从而实现确保提升机设备急启急停过程中速度的平缓调节控制。