煤矿主井提升机电控系统改造与应用

文/郑宏才

铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿主井2#提升机电控系统已使用10余年，继电器、编码器等相关电气元件故障频发，导致生产中断的情况逐渐增多，严重影响主提升系统工作效率。为了保证主提升系统的高效性和稳定性，大兴煤矿于2020年9月至12月对主井2#提升机的电控系统实施改造。此次改造在保证提升机安全、稳定运行的前提下，从整个提升系统入手，在兼顾提高设备功效的同时，对传动控制部分、行程控制部分、数据传输部分等进行了改造与优化，并且应用了一系列行之有效的节能技术，取得了良好的使用效果。

一、提升机电源部分以及传动控制部分改造

1.电控系统电源部分改造

将原电控系统中高压电源部分设备设施予以保留，原传动控制部分全部换新采用磁场恒定、电枢换向、12脉动并联的运行方式，在确保系统正常使用的前提下，彻底杜绝了由于主回路部件氧化锈蚀带来的一系列故障以及电能浪费问题。

2.传动控制部分改造

将原西门子6RA70直流调速装置更新为具有性能可靠、使用稳定、维护量小等诸多优点的6RA80系列产品，该系列产品将运行代码和故障代码由4位字符升级至5位字符，使提升主电机的调节控制范围更加宽泛，各种传动保护功能更为安全可靠。对提升主电机传动控制参数重新进行调试整定，依照设备的实际性能及使用情况，在实现平滑调速、稳定运行的基础上，最大限度地对双闭环直流调速中的PID调节参数进行优化，并且重新对速度环中的微分（超前控制）环节各参数进行反复模拟试验，有效遏制了提升机变速时出现的速度超调趋势，使其能够与积分（滞后控制）环节进行较好配合，使系统运行更加稳定，也减少了相应的无功损耗。传动控制部分改造在保障提升主电机在各种工况下运行性能的同时，大幅提高了主电机的工作效率以及电能利用率，降低了无谓的电能损耗。

二、提升机行程控制部分改造

1.电控系统中行程控制技术概述

主提升机属于在两定点间进行往复运动的大型机械设备，这样的工作性质及使用特点，决定了提升机电控系统中的行程与速度联合控制是最重要的部分。对提升机的控制，归根结底是对于行程（位置）的控制。在提升机运行过程中，位置及行程误差的产生原因多种多样，在传统的行程控制工艺中，普遍采取在电机轴侧、深度指示器侧（牌坊或速控器）安装编码器的方式，通过对主滚筒单次全行程运行总转数进行联合计量，配合每米脉冲数或单脉冲实际距离，来换算出箕斗的实际行程与位置。

但是，频繁的重载往复运动会使钢丝绳不可避免地出现拉伸及蠕动变形，使钢丝绳的实际长度不断发生改变。同时，人为对钢丝绳主滚筒运行直径进行调整（车绳槽及换衬块），也会造成滚筒上钢丝绳运行圈数的变化，导致运行状态下的行程误差不断累积。在传统的提升机行程控制技术环境下，一旦出现编码器故障、停车开关损坏、PLC掉电等现象造成行程混乱、提升机故障停止运行时，只能通过反复的空载运行来逐步对各编码器进行校准，直至准确一致，有时因行程校准而空载运行的次数可达十余次。频繁的空载提升在降低提升机工作效率的同时，也造成了机械磨损和电能浪费。

2.电控系统中行程控制技术的优化改造

大兴煤矿主井2#提升机新电控系统采用导绳轮增量计数、速控器绝对计数、断销保护、滑绳保护、断电行程记忆、同步开关赋值等多种方式，联合解决了主提升机在运行过程中的行程控制问题。

（1）导绳轮编码器计数方式。在传统行程控制工艺的基础上，即保留电机轴侧编码器和深度指示编码器的同时，增设导绳轮编码器，以导绳轮转数作为计量依据计算行程。因导绳轮周长较为固定，在忽略钢丝绳与导绳轮衬块间细微的滑动摩擦的基础上，无论滚筒直径是否发生变化，此编码器仅以钢丝绳在导绳轮上运行一周的固定长度作为计量依据，避免了传统控制工艺中因主滚筒直径变化造成的计量基准改变而导致的多个编码器出现行程偏差。

（2）速控器绝对值计数方式。绝对值编码器较增量式编码器的最大优点，就是其具有掉电保持自动记忆的功能，采用绝对值编码器配合电机轴、速控器、导绳轮三个增量式编码器进行联合计量，可以避免因故障断电时出现的行程数据丢失或错误问题，同时绝对值编码器在PLC程序内部仅作计量监视用，并不参与实际的行程与速度控制，作用仅在于对操作人员及时进行调零提示，如此可提高系统行程控制的稳定性和准确性。

（3）同步开关定点赋值方式。因主井2#提升机总提升行程是固定不变的，为763m，且同步开关的安设位置是固定不变的，在4m位置，采取同步开关定点赋值的方式，可将钢丝绳长度的各种变化误差自动屏蔽，使其缩小到停车位置至同步位置之间的4m范围之内，极大地避免了误差的过度累积，减少了每个提升循环后的行程显示偏移量。

通过以上方法对主提升机的行程进行联合控制，有效解决了主提升机在运行过程中的行程控制问题，减少了各种因素造成的行程误差累积，提高了行程计量的准确度及可靠性。即使出现编码器故障、停车开关损坏、PLC掉电等现象造成提升机行程故障时，故障处理之后仅需开启同步测数空载运行一至两次，即可完成各编码器的校准，恢复主提升机行程控制部分的正常使用，有效避免了因行程校准而进行空载运行的次数，提高了提升机工作效率，节约了电能。

三、提升机中央控制等部分改造

1.中央控制部分以及数据通讯部分改造

新增远程传输数据站1台，采用光缆传输连接，用以监视提升机运转工况数据，对提升控制主副PLC进行组态、编程、调试及系统维护。新增DP（PROFINET网络分站），配置网络传输用服务器与千兆环网交换机连接；数据传输利用PROFINET工业以太网数据传送接口接入矿井网络平台，实现了提升机运行数据的高速、可靠传输。在卸载操作室内增设1台工控机，实现了绞车控制监控的全部功能，同时具备故障内容的显示、报警以及查询功能，可为提升机检修维护提供准确故障点，节省故障排查时间，减轻检修维护人员的工作量。

系统控制单元采用西门子S7-1500系列可编程控制器，通过TIA博途平台V15.1，利用梯形图和语句表联合编程的方式，对提升机工艺流程进行详细、准确的程序编辑。在井塔十层操作台上预留硬件接口，用于测试提升机性能时使用。原控制系统中的旧设备部件及其缆线等全部换新，既保证了信号传输与设备运行的稳定性及可靠性，又有效避免了由于元器件、缆线等老化造成的电气故障以及电能损耗。

2.电控系统中其他部分改造

井塔十层更新操作台1台，二层新增1台卸载操作台以及远程传输数据站，两台操作台在使用功能、工作模式上保持完全一致，并在二层卸载操作台设置权限转换操作开关，配合装载操作台，提升系统内不同工作地点均可实现“手动”“自动”两种控制方式的任意设置，减轻了作业人员的工作量。

此外，在本次改造中，在整流变压器室、辅助变压器室、励磁变压器室、高压柜室、低压柜室、液压站和润滑站室等地点，全部安设了声控节能灯具，其耗电量低，工作效率高，避免了“长明灯”现象的发生。同时，在保证电控系统安全可靠、满足正常使用需求的前提下，传感器优先采用无源型以及小功率型，并且对主备液压站的紧急回油功能进行了电控部分的改造，在保证紧急回油功能完好可靠的同时，取消了两个电磁阀的使用，减少了不必要的电器元件投入，避免了电能的浪费，提升了整个提升机电控系统的节电效能。

四、结语

大兴煤矿主井2#提升机电控系统成功改造实践表明，主提升系统作为煤炭企业生产工艺中不可或缺的关键环节，只有在保障其安全、稳定、高效运行的前提下，积极推广应用节能技术，方可促进煤矿安全高效发展和绿色低碳转型，为矿井实现高质量发展作出积极贡献。