矿井提升机控制系统发展的研究

郭建军

摘 要：矿井提升机控制系统作为煤矿的主要生产设备，关系到煤矿高效和安全生产，主要要求如下：平滑的调速性能、高精度、实现四象限运行、很好的检测速度和行程、具备良好的故障监测功能、具备可靠的制动控制系统等。

关键词：矿井提升机；控制系统；发展现状；改造

矿井提升机调速的控制系统具有自动化的特点，全面控制提升机调速，促使其满足矿井作业的需求，以免超出矿井提升机的规定负载。矿井提升机调速控制系统的设计与应用，需要符合矿井作业的实践需求，一方面体现调速控制系统的优势，另一方面改善矿井提升机的性能，加强提升机调速的控制能力。

1 矿井提升机的电气控制系统概述

在矿井提升机有所改进之前我国矿井提升机一般采用交流傳动方式。但是直流传动方式的缺点是对交流电网的无功冲击大，会产生较大的启动压降；高次谐波会引起交流电网电压正弦波形的畸变，干扰其它用电设备；运行功率因数低；建设投资大、基础费用高。

后来随着矿井的规模愈来愈大，同时对提升自动化水平的要求也越来越高，随着电动机矢量控制思想的提出以及电力半导体技术和交流电动机传动方式的开发和生产，矿井提升机传动装置开始向交流传动方式发展。例如绕线电动机转子回路串电阻调速系统，但它存在很大缺点，调速控制性能差、耗电量大，而且由于其调速的非连续性，系统的机械冲击及对电网的冲击均很大。

现代技术的不断发展将变频调速技术、PLC技术融入提升机电控系统，可使提升机电控结构简单，节省大量的交流接触器、时间继电器、中间继电器及过电流继电器，从而大大提高提升机的可靠性、可控性和安全性；可在提升电动机工作在发电状态时，将电能回馈给电网，有很好的调速特性，过渡过程平稳，且速度连续可调，机械冲击小，并且节约了电能。

2 控制系统结构原理

大功率变频装置可以将工频三相交流电经过交直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行了逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。

在电路系统中，为了保证正常运行安全，必须将设备可靠的接地，因此，变频器的接地端也应可靠接地。主回路中，用于连接制动单元和制动电阻的端子，用于防止提升机在垂直方向上运行时，发生工件在带动电动机运转，而产生很大的再生电动势，即泵升电压过高，损坏变频器的现象出现。加入外接制动电阻或外接制动单元可消耗部分能量，提高变频器的工作能力。根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率。此时的变频器输出频率与设定电压或电流输入成正比。为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，取出变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号。

由于提升机是在矿井使用，还需设计防爆装置，在加上防爆外壳后，变频器产生的热损耗不能排出会导致其温升过高而影响正常运行，变频器的通风系统我的设计为水冷系统，带有双循环热交换器，内循环的水将变频器功率部件的热传导给空气，空气经由外循环把热量排出井外。

提升机紧急制动系统为恒减速紧急制动控制，它通过检测制动过程中的实际速度值，换算为减速度，实现制动对减速度的半闭环控制（即只能控制制动过程中液压压力的下降，而不能使之上升）。其基本的控制原理为：设定一个“停止起始频率”，当变频器的工作频率下降时，变频器将输出一个“频率到达信号”，使主控系统检测到紧急制动减速度达到预定值，保持此时的制动压力来达到恒减速度的目的。

3 电气控制系统在提升机系统中的发展现状

3.1 提升行程控制。位置控制是提升机的控制的本质，在工作中的预定地点要保证提升容器准确停车，不能出现误差要求准确度很高。利用微计算机控制结合传感器控制信号。传感器将接收到的信号进行精确感知，进行处理，据此来确定出系统的准确的位置，进而施以控制和保护。

3.2 提升过程监视。安全可靠性是第一位的，所以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，是安全可靠的保障。

3.3 安全回路。作为矿井保护的最后环节之一安全回路环节极为重要，准确地实施安全制动，使安全回路具有完善的故障监视功能，这样在安全回路本身故障时，在提升机本身故障时都可以检测到来避免危险的发生。

4 矿井提升机调速控制系统的改造

4.1 矿井提升机调速控制系统的参数。该矿井提升机调速控制系统中电动机功率为75kW，提供最大的提升速度是2.5m/s，运行中的减速比是24∶1，利用转子串电阻进行调速控制。该提升机调速控制系统的运行较为传统，以变频调速为核心设计系统改造。

4.2 系统参数的相关改进。该矿井提升机调速控制系统围绕变频调速进行参数改进，分析具体的改进措施。如：（1）针对矿井提升机启动的各个速度阶段，实行频率改进，结合变频调速装置，将提升机速度重新划分为四个阶段，在提升机运行中提供启动和变化的速度，在变频调节的状态下确保提升机的速度达到最佳状态；（2）规定提升机启动和制动的频率是0.2Hz，速度控制的频率上限是50Hz，利用变频调速提供矢量控制，确保该矿井能够准确地控制提升机的速度，实现稳定的速度调节，改善调速控制的环境。

4.3 PLC控制装置。PLC电控选择双套不同配置的可编程序控制器，主控PLC输入输出口留有一定的余量，主要由CPU板、电源板、高速计数器、数字量I/O板、模拟量I/O板、通讯板等硬件组成。辅控PLC可以进行电子数字监控，操作台上需要从PLC输入输出口进行接线的，都需要从辅控PLC接线，并与主控PLC进行网络通讯，以进行网络化控制。提升机手动、半自动、紧急制动、慢动、换层等操作功能都是由主控PLC应用软件实现的，同时还可以进行提升过程各阶段的速度闭环控制。双套PLC可以进行软硬件上的联锁，从而有效监视PLC实际运行情况，避免由于PLC死机等原因而出现的各种故障，最终实现对整个系统的安全保护与实时监测。

4.4 保护功能设置。先根据设定减速度减速，再紧急停车的故障：通风机在运行中停机、主电机轴承超过其能够承受的热量接受程度、液压制动系统油量不足或油温超限、变频器局部故障、控制电源欠压、闸盘偏摆及闸瓦磨损等。

在完成某次提升之后不能再次开车故障：主电机温度过高、控制柜温度超过最高温限制、信号电源接地故障、低压电源漏电等。

紧急制动故障：提升容器过卷、钢丝绳滑动超限、安全制动按钮指令故障、高低压电源断电故障、变频器故障、制动系统油压故障、减速段过速10%、最大运行速度超15%等。

5 结语

矿井提升机调速和控制系统的不断完善使得矿井的发展、经济效益都有很大的提升，但我们不能满足于现状，我们应该不断总结经验吸取先进理论，融入我们的实际情况，不断改进完善，更好的促进矿井的安全生产和经济发展。

参考文献

[1] 李伟.矿井提升机控制系统设计[D].太原理工大学，2010.

[2] 刘涛.新型矿井提升机变频电控系统的研究与设计[D].河南理工大学，2011.

[3] 李剑峰.综放开采条件下的矿井设备改造[J].煤矿机械，2012（09）.