基于可编程控制器的变频调速系统在矿井提升机上的应用

1 前言1．1 课题概述矿山生产的全过程离不开矿山运输和提升工作。

因此，运输和提升工作的好坏直接关系到矿山生产是否能正常高效率的运行。

如果说运输路线是矿山生产的动脉，那提升设备则是其咽喉，可见其重要性和必要性。

提升机是联系井下的地面的主要运输工具，矿井提升工作是整个采矿过程中的重要环节。

从地下采出的煤炭、矿石必须提升至地面才有实际应用价值。

废石的提升、工作人员、材料及设备的升降等都要靠提升机来完成。

矿井提升机是矿井提升设备中的动力部分，由电动机、减速器、主轴装置、制动装置、深度指示器、电控系统和操纵台等组成。

根据矿井提升机工作原理和结构的不同，矿井提升机有以下类型：矿井提升机单钢丝绳缠绕式摩擦式提升机缠绕式提升机单钢丝绳摩擦式多钢丝绳缠绕式多钢丝绳摩擦式卷筒双圆柱圆锥形双卷筒可分离单卷筒单卷筒变直径等直径卷筒单圆柱圆锥形因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全生产的一项重要课题。

1．2 矿井提升机的发展状况1.2.1国外矿井提升机的现状近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。

起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。

上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交一直一交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。

1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。

在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。

早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。

上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。

计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。

特别要强调的是，此时期在国外一著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高[3]。

矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平[17]。

比较国内外矿用提升机系统，具体来说国外矿井提升机在电控方面的应用特点有以下几个方面：(1)提升工艺过程微机控制提升工艺过程大都采用微机控制，由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。

(2)提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达到±2cm。

采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出容器准确的位置而施以控制和保护。

一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独下位机完成。

(3)提升过程监视提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。

提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；各主要设备运行状态监视；各传感器(如位置开关、停车开关)信号的监视。

使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。

(4)安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态的极为重要的环节。

为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法[12]。

安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一。

1.2.2国内提升机的现状与发展趋向矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。

特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展方向。

目前国内的矿井提升机大多采用以下两种拖动方式：(1)交流拖动方式目前我国提升机约70%采用串电阻调速的交流拖动方式。

有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率S的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差[19]。

极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄，且投资大。

(2)直流拖动方式我国提升机采用直流拖动有两种系统：直流发电机－直流电动机机组（F－D)和晶闸管－直流电动机(SCR－D)系统。

国内矿井提升机的发展趋势如下。

国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。

大功率变频调速电控提升机其效率可达98%，国内正在组织研究这种系统，不少院校和研究单位都在着手研制。

如天津电气传动研究所已研制了一台300kw 的变频调速装置。

可编程序控制器在提升机电控系统的应用。

可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电－接触器电控系统进行技术改造。

因此有不少单位都在着手研制，如焦作矿务局，韩城矿务局均用可编程序控制器对TKD电控系统进行改造，已投入正常运行和使用，已经显示出了很强的生命力[20]。

这是今后一段时期乃至几十年对我国占绝大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。

1．3 研究内容及研究意义1.3.1 研究内容当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。

而且这种控制方式存在着很多的问题:(1) 转子回路串接电阻,消耗电能，造成能源浪费。

(2) 电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。

(3) 继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。

(4) 交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。

(5) 电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。

(6) 提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。

上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。

因此，需要研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。

在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。

就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。

采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC 技术已经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提升机控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。

操作、监控和安全保护系统选用可编程控制器。

主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求[1]。

1.3.2 研究意义在调研中发现，目前各大煤矿的矿井提升机系统的调速方案大多采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。

该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代矿业发展的需要.因此有必要对调速方案进行改造。

在广泛考察现行的变频调速方案后，本文提升机系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点:电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。

为保证提升设备无事故，在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设置双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。

本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。

表明本文所提出的设计方案具有实用价值。

适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。

2 矿井提升机调速控制系统的设计分析2.1前言目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。

这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。

另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确；提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗，节能较差；这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。

鉴于此有必要对提升机的控制方式及调速性能做进一步的分析。

2.2 提升机工作原理及机械结构(1)提升机工作原理: 煤车厢与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。

在井口有一绞车提升机，由电机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周后挂上一列煤车车厢（单提升，多数煤矿都采用单提升），在电机的驱动下将装满煤的列车从斜井拖上来；卸载完成后，再将空车在电机的拖动下沿斜井放下去。

当提升机需要停车时，从操作台发出停车指令，从而对卷筒进行抱闸制动。

矿井提升的整个过程可以分为五个阶段加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。

加速阶段是提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是箕斗定位和准备安全停车阶段[2]。

(2) 矿井提升的工作特点:箕斗在一定的距离（井深）内，以较高的速度往复运行，完成上升与下降的任务。

鉴于在矿井提升机的工作特点，为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续工作，其必须具备良好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。

矿井提升机的基本参数是：电机功率75kW，卷筒直径1200mm，减速器减速比24：1，最高运行速度2.5m/s，钢丝绳长度为400m。

斜井提升机的机械传动系统结构示意图如图2-1所示：图2-1 提升机卷筒机械传动系统结构示意图2.3 矿井提升机对电气控制系统的要求提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。

所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。