煤矿提升机变频调速及监控技术设计分析

杜维平

（山西汾西正旺煤业有限责任公司， 山西 孝义 032300）

引言

提升机是矿井运输的主要设备，主要用以物料、人员等转运，控制系统是提升机核心组件，其运行效率及性能优劣直接影响提升机运行可靠性[1-2]。提升机传统的控制方式多为接触器、继电器结合方式，此种控制方式存在操作性差、故障率高等问题[3]。随着PLC 控制技术在煤矿机电设备推广应用，采用PLC 与变频器结合方式对提升机进行控制，可显著增强提升机控制精度及可靠性。

基于上述问题，本文以山西某矿提升机控制为工程背景，对变频调速监控技术进行分析，以期更好地促进矿井生产。

1 提升机变频调速及监控技术方案

现阶段煤矿井下常用的变频调速控制方式包括有交- 直- 交、交- 交变频两种方式，其中交- 直-交通过整流器、斩波器整流、调压后经逆变器输出为特定频率交流电，交- 交变频是通过一次变换将额定频率交流电转换为特定频率的交流电。随着技术发展，变频调速最为常见的控制方式为矢量控制法。文中就基于交- 直- 交变频方式来实现提升机变频调速控制。

山西某矿应用的提升机变频调速控制系统结构如图1 所示，系统包括有PLC 控制单元（一用一备）、运行状态监控系统、操作台、减速器、变频电机以及液压站等构成。其中运行状态监控系统接收来至于PLC的监测信号，并在监控设备上实时显示提升机各部位运行参数、故障信息等；操作台向PLC 发出控制指令，实现启动、运转以及停止等操作；2 套PLC 控制单元按照冗余原则布置，最大限度实现提升机可靠运行；变频电机可依据需要控制电机转速，实现提升机运行速度变频控制；液压站为驱动滚筒提升制动力，避免出现溜车。

图1 提升机变频调速及监控系统结构示意图

2 变频监控系统

2.1 系统硬件结构

2.1.1 变频器

由于煤矿井下环境恶劣，变频器在恶劣环境下工作时对其可靠性提出更高要求。在参考以往研究成果基础上并结合煤矿井下使用的变频器类型，选择采用SB61G110 kW 变频器，该变频器由森兰公司生产，在负载、速度等同时变化时仍可保持较好的稳定性。同时使用的变频器具备有矢量控制、拟超导技术，可快速保护变频器过载、接地、短路等故障。

2.1.2 PLC 控制单元

采用2 套PLC 控制单元对提升机运行速度进行控制，从而确保提升机按照S 形速度曲线进行。监控单元是对提升机运行速度、罐笼位置、变频器以及卷筒状态等参数进行监测，并对可能出现故障的设备发出保护指令，提高提升机运行安全性。

提升机运行控制采用的PLC 为西门子S7-300，变频调速监控系统PLC 为西门子S7-200。选用的PLC 控制单元具有环境适应性强优点，可承受短期冲击负载冲击。主控PLC 以及变频调速监控PLC 易于编程操作、接口端丰富等优点，可实现各种逻辑运算以及控制信号处理。主控PLC 对提升机运行、液压系统制动进行控制，从而使得提升机启动、加速、减速等环节更为平稳；监控PLC 对变频电机电流、电压、转速等实时监测。

2.1.3 计数模块及编码器

计数模块及编码器是实现提升机精准运行控制的关键组件，选用使用的计数模块型号为FM350，可同时对4 路脉冲信号计数；选用的编码器型号为TRD-N2000-RZ，编码方式为增量式，信号电压24 V，将编码器布置在提升机驱动轮、导向轮上。通过计数模块及编码器结合使用，可显著增强提升机提升速度及提升设备位置监测精度。

2.2 变频调速监控软件设计

2.2.1 调速控制曲线

提升机操作人员通过控制台实现启动控制，在启动初期主控PLC 通过控制控制变频电机电流输出频率实现电机转速控制，同时液压系统松闸，提升机按照启动指令运行。在提升机运行过程中，运行速度调整依据设定高的速度曲线进行，速度曲线优劣会对提升机使用寿命以及稳定性等带来影响。文中依据以往研究成果并结合煤矿实际情况，提出采用7 段式S 速度曲线控制方法，具体速度控制曲线如图2 所示。

图2 提升机运行速度控制曲线

提升机运行速度调整分为快速加速、慢加速、均匀加速、匀速度、快速减速、满足减速以及匀减速等阶段，采用此种速度控制方式时不会导致提升机运行速度突变。提升机启动、停止过程中速度变化更为平稳，有利于提升机运行效率提升以及速度控制。

2.2.2 逻辑控制流程

具体提升机运行速度逻辑控制流程如图3 所示，在上文所述7 段式S 曲线速度控制基础上，通过编制S7-300 主控制PLC 控制程序，实现变频电机运行控制，从而可以使得提升机按照设定的速度曲线运行。监控系统中S7-200PLC 对提升机设备运行参数进行采集，并分析故障信息（包括超速、过卷、过载以及松绳等），确保提升机可平稳运行。

图3 变频调速及监控逻辑流程图

3 结语

提升机是煤矿井下运输的主要设备之一，确保提升机高效、可靠运行对提升矿井生产效益具有重要意义。随着变频控制技术发展，变频电机、PLC 相结合方式对提升机运行控制更为普遍。以山西某矿主提升机为工程背景，对提升机变频调速技术发展现状进行分析并具体设计变频调速及监控技术方案。对变频调速以及监控系统硬件结构进行选型并确定逻辑控制方案。矿井应用实践表明，所设计的提变频调速及监控系统可满足提升机运行控制需要，并可在一定程度上增强提升机运行可靠性及适应性。