矿井提升机电控系统的现状与发展趋势

冯建民，周雨松，张紫薇，王博，李猛

(1.西安利雅得电气股份有限公司，陕西西安710075;2.西部证券股份有限公司，陕西西安710004)

矿井提升机电控系统的现状与发展趋势

冯建民1，周雨松1，张紫薇2，王博2，李猛2

(1.西安利雅得电气股份有限公司，陕西西安710075;2.西部证券股份有限公司，陕西西安710004)

针对矿井提升机电控系统的发展，分析了矿井提升机电控系统的组成和现状，提出了矿井提升机电控系统传动方式多样化、控制模式网络化、监测智能化及无人值守的发展方向，指出电控系统无人化、网络化、远程化、自动化是数字化矿山建设的重要基础。

矿井提升机;电气传动系统;自动化控制;智能化

矿井提升机作为井上井下的唯一输送通道，是矿山的咽喉设备，其运行性能的好坏与优劣不仅直接影响到矿山的生产效率，而且影响到矿山的生产安全，同时它也是矿山机电自动、智能化发展水平的显著标志，是数字化矿山建设的重要组成部分。

矿井提升机属往复运动的生产机械，且其负载为位能型负载，其对电控系统要求比较高，所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。

1 矿井提升机电控系统的发展现状

1.1 矿井提升机电控系统的范围

矿井提升机电控系统主要包括配电控制系统、自动化控制系统、电气传动系统三大部分。

配电系统包括动态无功补偿SVC或SVG、高低压配电(含各种变压器)及综合保护系统。

自动化控制系统包括闸控制系统、数字监控系统、速度控制系统等工艺控制。

电气传动系统根据系统要求的不同，总体上分为交流传动与直流传动两类，其中交流传动有绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速系统、低压变频调速系统、交交变频调速系统、交直交变频调速系统等;直流传动有发电机－电动机组直流调速系统、晶闸管供电直流调速系统等。

1.2 矿井提升机配电系统

1.2.1 高压配电系统

高压配电系统采用单母线分段结线方式，双电源进线。两回电源相互闭锁，当一段电源故障时另一段电源能担负全部负荷。高压系统一般采用KYN28系列高压真空开关柜。

高压电源二次回路的连锁和控制接点，输入到提升机自动化控制系统即PLC系统进行操作控制，便于远程集中控制和监测。同时提供过载、过压、过流报警节点。

1.2.2 变压器

采用干式环氧树脂浇注式变压器，其数量与容量根据矿井提升机电气传动方案的不同而不同(见表1)。

表1 电气传动系统变压器配置数量

1.2.3 低压配电系统

低压电源为AC380V/220V电源，采用单母线运行方式，为全系统提供控制、操作电源。配置低压电源柜，向电控系统、车房吊车、空调、冷却风机、液压站、照明以及检修开关提供控制、操作电源。为防止供电系统意外停电造成事故，增设大容量UPS电源，保证控制电源安全、可靠，同时完成主机冷却风机的工艺控制。井下低压电源为AC380V，中性点不接地系统，电源引自井上低压控制电源系统中的隔离变压器。计算机及PLC电源采用集隔离、稳压、滤波、整形、抗干扰和净化功能于一体的交流参数稳压器。配电装置馈出回路除满足提升机及电控设备以及主电机冷却风机本身所要的电源回路外，根据设计具体要求，留有供用户使用的备用馈出回路，并满足容量要求。

1.2.4 动态无功补偿系统

近年来由于矿山加大了开采力度，大功率大容量的矿井提升机控制系统应用越来越广泛，提升机电控系统对电网的影响也越来越大，尤其是大功率交交变频系统的广泛应用，要求对电网进行动态无功补偿和谐波抑制，一般采用SVC或SVG动态无功补偿系统。

1.3 矿井提升机自动化控制系统

矿井提升机自动化控制系统采用PLC控制器为中心，结合外围的设备完成提升系统的各种工艺控制，包括速度给定、行程控制、故障保护、闸控制、信号控制等。控制和监控系统采用两套PLC和继电器来完成提升工艺的控制及监控。上位机、主控PLC、操作保护PLC、主传动设备、信号系统通过现场总线构成现场网络，这样，减少了设备之间的连线，增加了系统的可靠性。同时为地面生产调度系统或全矿集中控制系统联网通讯提供了必要的接口，以便于实现矿山的高度自动化。

1.4 矿井提升机电气传动系统

我国在1980年代以前，提升机电气传动主要采用绕线转子异步电动机转子串电阻交流调速系统，少数则采用发电机—电动机组直流调速系统;1980年代以后，提升机电气传动主要是采用晶闸管直流供电的直流调速系统;近年来，提升机电气传动尤其是2000kW以上的主要采用交交变频调速系统和交直交变频传动系统。

一般而言，具体的传动系统采用哪种方案，主要是根据提升机容量要求，经过性价比较后决定，其大概划分见表2。

表2 电气传动系统性能与应用情况

2 矿井提升机电控系统的发展方向

矿井提升机电控系统经过多年的发展，展现出如下的发展方向。

2.1 传动方案多样化

随着传动技术的发展，尤其是大功率的交流变频技术的发展，矿井提升机电控系统的传动方案越来越多样化，根据用户的实际需求，可以配置各种不同的更加合理的传动方案。特别是近年来我国加大矿山的开采力度，大功率大容量的矿井提升机需求越来越多，大功率的交交变频系统和大功率的交直交变频系统应用越来越多。

整体而言，交流变频传动系统是矿井提升机传动系统的主要发展方向，但在中等功率范围内，VM直流传动系统由于其良好的性价比，仍有广泛的应用空间。同时，随着中压四象限变频技术的发展成熟，中压变频技术必将在矿井提升机上得到更多的应用与发展。G－M直流调速方案、转子回路切电阻方案以及脱胎于串级调速的双馈转子变频调速方案，必定逐渐淘汰。

2.2 控制系统网络化

现阶段矿井提升机自动化控制系统，均是用单PLC或双PLC为中心，采用远程I/O，通过现场总线实现联接，是现场总线的网络结构。为融入矿井信息管理系统，实现数字化矿山，矿井提升机自动化控制系统，将来必将采用多层网络结构，实现现场设备层、现场控制层与集中管理层间的无缝联接，所以控制系统的网络化是一个必然的过程，是数字化矿山系统的重要组成部分。

2.3 监测智能化且保护多样化

为适应矿井提升机自动化不断提高的要求，对现场设备需要更详尽更可靠的监测和控制，因此各种高性能、智能化的监测手段必将不断涌现，各种后备保护必须安全可靠，保护冗余。如对液压站实时监测与保护、对闸盘间隙等实时监测与保护，设计开发数字式监控器等。

2.4 系统远程监控无人值守

随着企业的发展，生产的规模不断扩大，每个矿山的矿井提升机的数量持续增多，生产任务不断加重，而劳动力资源却在自然减员，迫切要求矿山对多台提升机系统进行集中控制与管理，实现多台提升机远程集中控制、机房无人值守，减少劳动力、增加劳动效率，保证提升机的安全可靠运行，对矿井安全、持续、高效生产，加快矿井生产系统的现代化进程而言，将具有重要的实际意义与经济意义，是数字化矿山的高级应用实例。

3 笔者对矿井提升机电控系统的研发实践与应用

笔者多年来一直从事矿井提升机电控系统的研究与设计，设计过绕线型转子异步电动机转子回路串电阻提升机电控系统、模拟板件V－M晶闸管供电的提升机电控系统等。目前，笔者设计的矿井提升机电控系统，主要包括通用低压变频系统、直流传动系统、交交变频系统和交直交变频系统。随着数字化矿山建设的发展，笔者也研究设计了矿井提升机集中智能化控制系统。该系统主要分为3大部分，即现场级的提升机智能化控制系统、管理级的提升机集中管理系统以及集中工业电视视频监控系统。系统主要由3大网络组成，即现场级PROFIBUS总线网络、管理层INDUSTRIALETHERNET网络、辅助的B/S架构的视频监控系统。主要任务旨在开发一个集现场多台提升机控制系统及视频监控系统于一体的、具有便于操作的、安全可靠的和自动化程度高的智能集中控制系统。

目前，该系统在金川集团有限公司龙首矿、三矿区，中钢集团富全矿业有限公司等地已经投入实际应用。其中，金川集团有限公司龙首矿多台矿井提升机集中智能远程控制系统于2008年获得甘肃省科技进步二等奖。

4 结论

矿井提升机电控系统作为矿山现场设备的控制系统，随着数字化矿山建设的发展，必将实现无人化、网络化、远程化、自动化的特点，为矿山的安全、高效生产，提供强大的技术基础，为数字化矿山的建设提供强大的物理基础。

［1］王清灵，龚幼民.现代矿井提升机电控系统［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［2］卢燕.矿井提升机电力拖动与控制［M］.北京:冶金工业出版社，2001.

［3］天津电气传动研究所.电气传动自动化技术手册(第2版)［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［4］陈伯时.电力拖动自动控制系统(第3版)［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［5］陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［6］马小亮.大功率交－交变频及矢量控制技术［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［7］李志民，张遇杰.同步电动机调速系统［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［8］B费德查克，JA萨斯.福尔肯布里奇基德克里克矿井的集中控制及矿山自动化［J］.ForeignMetalMiningMagazine，1996，(10):34－38.

［9］徐希康.基于PROFIBUS网络结构的全数字矿井直流提升机电控系统［J］.工矿自动化，2002，(6):26－28.

［10］周雨松，孙晓娟.基于SIMADYN－D控制器的交－交变频技术在矿井提升机上的应用［J］.工矿自动化，2010，(4):87－89.

［11］周雨松，孙晓娟.基于矢量控制的高压变频器在矿井通风机改造中的应用［J］.电气传动自动化，2010，(32):48－50.

［12］李天平，张伟，李猛，等.矿井提升机集中智能化控制系统的设计［J］.工矿自动化，2010，(8):16－18.

［13］石静君.矿井提升机全数字监控器的研究与应用［J］.煤矿自动化，1998，(1):46－47.

2011－10－11)

冯建民(1966－)，男，甘肃会宁人，硕士，高级工程师，长期从事矿井提升机电控系统的设计与研究及管理工作，1998年获甘肃省机械工业科学技术进步二等奖，1999年获甘肃省科学技术进步三等奖，Emial:Fengjianmin2000@163.com。