煤矿提升机电控系统设计与分析

姜海滨 董镕璇 吴玮

摘要：文章对煤矿提升机电控系统进行了详细分析设计，首先介绍了提升机电控系统技术的应用现状，在此基础上重点研究了提升机电控系统的设计，给出了基于PLC和计算机实现的上下位机电控系统模式，以及电控的基本结构组成，并针对其中的变频调速关键技术问题给出了相应的解决措施与方案，对于进一步提高我国煤矿提升机电控系统设计应用水平，具有较好的借鉴指导意义。

关键词：煤矿提升机；自动化控制；电控系统；信号采集系统

中图分类号：TD633 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）01-0053-02

提升机承担着运输煤矿货物、设备以及人员从地面到地下或者从地下到地面的任务，一直被认为是煤矿运输系统的咽喉设备，提升机一旦发生故障，轻则停产导致巨大损失，重则引发人身安全事故，因此对于提升机控制的安全可靠一直是煤矿机电科及机电工程师需要重点解决的问题之一。

本论文主要结合提升机的运行特点，对其机电控制系统进行深入分析探讨，以期从中能够找到合理有效且安全可靠的机电控制系统设计运行方案，并以此和广大同行分享。

一、矿井提升机电控系统技术的应用现状

由于矿井提升机在安全性方面的极端重要性，因此各个国家都大力致力于矿井提升机电控系统的研究，因此，也有人将提升机电控系统的水平看做是一个国家传动控制水平的体现。我国煤矿井道情况较复杂，提升机电控系统无法做到国外那样大型而智能化，但是我国对于提升机电控系统的研究和开发也是非常重视的，并且也取得了一些成果。结合目前我国各大煤矿提升机电控系统的运行情况来看，我国矿井提升机电控系统的主流应用技术体现在以下几个

方面：

（一）交流电控系统

我国现有的矿井提升机中，大约有超过一半甚至更多的提升机，采用了交流拖动电控系统。交流拖动电控系统最大特点是采用改变转差率S的方法来实现调速，没有实现无极调速，且调速过程中会产生大量的转差功率，使得大量电能消耗在转子附加电阻上，导致电控系统的调速经济性很差。

（二）直流电控系统

我国直流拖动电控系统的矿井提升机目前应用的还不多，仅仅在少数大型煤矿配备了直流电控系统。直流电控系统采用变频器实现对提升机的变频拖动，一方面不仅仅大大提高了调速的经济性，更重要的是利用变频器能够很轻易的实现无极调速，从而大大提高了提升机的过载能力，提高了生产效率；另一方面，随着电力电子技术的发展，采用可控晶闸管整流装置得到的直流电源作为直流拖动电控系统的驱动电源，能够更加平稳平滑的实现无极调速，运行效率高，适用范围广。

（三）微机控制电控系统

随着工业控制技术的发展和计算机技术的发展，逐渐出现了微机控制的电控系统，具体来说分为上位机和下位机。

1．下位机控制。目前应用的最为广泛的下位机控制器是可编程逻辑控制器，也称作PLC，利用PLC实现对提升机的深度、拉力、电流、速度等状态参数的实时监测和控制。利用PLC实现对矿井提升机的控制的同时，具有很好的故障诊断能力，这是以往的控制系统所无法实现的功能。

2．上位机控制。利用计算机实现对提升机工作过程和工作状态参数的实时监测，并利用组建的网络传输相应的控制指令，实现对矿井提升机的远程监测与控制，这是目前电控系统的最新发展趋势。这种电控系统不仅能够实现对提升机的状态监测，而且还能够实现远程控制，具备一定智能程度的故障诊断模式，因此这种智能化的电控系统得到了广泛的应用

发展。

二、基于PLC+计算机模式的提升机电控系统设计研究

（一）电控系统的基本组成

成套电控系统主要由高压配电系统、低压配电系统、操作系统、安全保护系统、监控系统、全数字变流驱动系统组成。电气操作系统采用西门子公司原装S7-300系列的可编程序控制器作为操作控制主控单元，安全保护采用软、硬件两路安全回路实现双重保护；监控计算机由工业控制计算机配备通讯软件构成，可对提升机全行程各重要参数进行监控。

主电控系统主要由电源电路、PLC保护回路、驱动电路及其必要的控制回路组成。电源电路主要是实现交流电源转直流电源，并且配合变频器设计相应的电源电路，实现电源高效可靠工作；PLC保护回路主要实现对PLC的过流过压保护；驱动电路主要实现经PLC输出回路驱动提升机相应部件完成预期控制动作。晶闸管直流调速系统采用专用的全数控晶闸管直流调速装置，可以根据实际的提升机容量及功率配置相应的配电柜及晶闸管调速模块，共同完成对电动机供电和调速的功能。

另一方面，配备与过程接口相关的各种电源、继电器、接口模块、操作台集中显示信号灯，采集、检测、预处理并显示提升机的各种运行指令、位置信号、速度信号、故障信号灯，并依据指令、安全信号的要求实现对提升机的工艺控制和安全保护。电气传动系统采用恒定磁场电枢可逆串联12脉动的传动方案，以西门子公司的6RA70全数字直流调速装置为电枢和磁场的调节控制中心，通过反并联的可控硅组件，实现对提升电机的拖动。

（二）电控系统的控制模式

基于PLC+计算机模式的提升机电控系统，其控制模式分析如下：

1．信号采集系统。信号采集系统主要是由下位机完成的，也就是PLC控制器，负责实时采集矿井提升机的各项工作参数和状态参数，采集参量按其性质可分为模拟量采集和数字量采集，模拟量经过PLC的模拟量入口进入到PLC内部，数字量经过PLC的开关量入口进入到PLC内部，由PLC内部程序实现对各个工作参数和状态参数的处理，并经过传输网络传送至上位机计算机，由专用的组态程序实现对相关参数的实时显示。

2．上位机监控系统。上位机监控主要采用专用计算机实现，配备数据采集卡模块，利用组态软件设计专用的上位机显示控制程序，一方面用以实时显示远程采集到的工作参数和状态参数，另一方面用以下达远程控制指令，实现对提升机的远程电控。

（三）提升机电控系统变频调速技术的实现分析

当PLC控制变频器启动后，变频器的工作状态参数，比如电压、电流、功率、频率参数都会实时被采集传输到PLC内部，PLC根据预先编制好的程序，对电机转速进行采集和对比，当电机转速过高，则对频率进行调整，降低频率以实现降低电机转速，从而降低了提升机的运行速度；若电机专属过低，则变频器自动提高运行频率，实现无极调速，提高电机转速以提高提升机运行速度，从而达到变频无极平滑调速的

目的。

PLC在完成对变频器工作参数和提升机工作参数采集监测的同时，还控制着变频器启动和接收变频器故障报警信号的功能，通过提升机内的电流变送器自动过载或者电机堵转等故障，使变频器控制电机在故障后自动停机；另外，变频器本身具有过压、过流、断相、过热保护和故障显示等功能。

三、结语

煤矿提升机对于整个煤矿的安全生产具有决定性影响，本论文重点对提升机电控系统进行了分析设计，给出了基于PLC和计算机模式的提升机电控系统设计方案，并对其电控系统设计方案的关键实现技术问题进行了研究，给出了相应的解决措施和建议，对于进一步提高我国煤矿提升机电控系统设计应用水平和提高煤矿安全生产具有较好的指导意义。

参考文献

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[4]张西虎．一种闭环恒压供水系统设计[J]．机械与电子，2001，（2）.

（责任编辑：陈 倩）