矿井提升机高压变频节能电气控制系统
时间：2023-03-02 22:40:03 来源：千叶帆 本文已影响人
张 伟
（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）
煤矿提升机是矿山开采的重要设备之一，而电控系统是提升机的核心部分，电控系统的稳定可靠运行对矿井的工作效率和安全生产起着决定性作用[1-5]。借助晋安办发〔2018〕110 号文件，要求淘汰串电阻调速电控系统的契机，某煤矿在西上庄煤矿项目主立井凿井施工中，采用了由洛阳源创公司生产的JKD/GBP-NT 型高压变频器，大大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。本文从提升机电气控制系统方向着手，旨在解决上述实际生产过程中所面临的实际问题，实现提升机的节能生产。
某煤矿在西上庄煤矿项目回风井凿井施工中，安装使用2JK-4×2.1 型矿用提升机，最大提升负荷160 kN，提升速度5.2 m/s，电机功率1 000 kW。为了改善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高压变频调速电控系统，该方式可大大简化工作程序，节约能源，显著提升工作效率[6-9]。
矿井提升机高压变频电控系统有两个子系统，分别为PLC 控制系统、监控系统。
2.1 PLC 控制系统
控制系统需用双PLC 网络化控制，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功能。主控、辅控PLC 间通过网络通信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 发生故障时，能够低速运行，这对施工企业有人员提升系统的尤为重要。双PLC 控制系统的主要特征如下：
1）选用两套PLC 互为CPU 冗余控制，主、辅PLC之间相互通信及监视，操作过程实现双线控制方式，对提升机运行关键的信号（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）具有三条安全保护回路，其中软件安全回路两条、硬件安全回路一条。多条安全保护回路之间互相冗余，保证矿井提升机的高效、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。
2.2 监控系统
监控系统采用上位机形式，上位计算机与PLC网络通信，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，配有WinCC 软件平台、全汉字界面。监控软件实现以下功能：提升机系统动静态画面生成；
具有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”。
西上庄煤矿项目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-GBP-FVA-1600kW/10（6）-6kV-200A 型网络化提升机成套电控系统。洛阳源创电气有限公司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，符合某煤矿实际使用要求。
该设备专有技术特点是零速电气安全制动，其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。
3.1 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600 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。
3.2 PLC 控制部分
PIC 控制编程部分是整个提升机的灵魂，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 的主要原因是该设备运行稳定、操作简单易懂，在市场上备受欢迎，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，并由上位监控系统显示。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、通信故障、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，为职工的生命安全保驾护航。
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、电控间温度极高所造成的能源浪费。两套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，除了能满足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）满足了矿井数字化对提升系统的要求，为煤矿的统一管理、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。
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，再到国产高压变频的研发，走过一个艰难的过程。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。经某煤矿在西上庄煤矿回风井项目实践证明，煤矿提升机PLC 高压变频节能控制系统切实可行，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，实现提升机的节能生产。
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