李润平

（华阳新材料科技集团五人小组管理部，山西 阳泉 045000）

引言

矿井提升机为仅次于带式输送机的运输设备，其主要承担着煤炭、物料甚至作业人员的运送任务。在日常生产中，为保证煤矿煤炭的产出率，对应工作面一般采用三班倒的工作模式，也就是说不论是地面还是工作面的设备均在时刻运行中。提升机根据上行和下放需求使相应的设备一直处于过负荷运转，对应的电机处于频繁的正反转运行以及制动系统不断地切换制动和运行状态。如何保证提升机在高负荷运行状态下的可靠性和安全性是提升机运输效率高的关键[1]。因此，基于PLC控制器完成对传统继电器控制提升机控制系统的改造。

1 提升机电气控制系统基本要求

提升机系统作为矿井生产的一大型机电系统，主要包括有机械部分和电气部分，具体可划分为电机、减速器、制动系统、测速系统以及摩擦轮等组成。本文所研究的提升机为单绳缠绕式提升机，其具体行程为700 m，主要应用于斜井。电气控制系统为提升机系统的关键机电设备，其是保证设备运输效率和可靠性的关键。提升机电气控制系统必须能够满足设备的静态特性和动态特性，为适应矿井高负荷的运输需求，提升机电气控制系统需满足如下要求:

1）针对运输对象的不同，提升机在加速和减速阶段的加/减速度均应该满足《煤炭安全规程》的相关要求；

2）在实际运输过程的突发情况下，免不了设备在重载情况下启动[2]。因此，提升机电控系统应具备良好的重载启动能力，并具备一定的过载能力；

3）提升机电气控制系统能够根据实际运输的要求及时对设备的速度进行实时、平稳的控制；

4）提升机电气控制系统的机械特性能够满足在工况变化加大时不会对整机的运输速度造成较大的干扰；

5）为进一步保证提升机的可靠性，其电气控制系统应具备一定的连锁和安全保护功能。

2 提升机电控系统现状分析

1）目前，该矿提升机电气系统采用继电器控制为主，该控制系统响应速度较慢、控制不稳定以及保护功能欠缺；而且，继电器容易老化的缺陷无法适应当前矿井高负荷的平稳运输需求；

2）当前电控系统不具备定位提升机故障的功能，导致设备出现故障时维修效率低，从而影响整个工作面的生产效果；

3）当前电控系统无法将提升机运行工况实时反应于调度部门，对高效管理不利；

4）当前电控系统不具备根据工况对运输速度进行实时控制，存在耗能严重或者提升力矩不足的问题，导致提升效率低[3]。

针对提升机当前存在的问题，结合现代工业的控制经验，本文将基于PLC控制器设计可控硅调速系统实现对提升机电控系统的改造，初步拟定改造后系统的框图如图1所示：

如图1所示，改造后提升机电控系统可基于深度指示器对罐笼的实时位置进行监测，可基于主控系统实现对运输速度的实时、平稳控制；可基于监控系统对设备运行的整体状态进行监测。

图1 基于PLC改造后提升机电控系统结构框图

3 提升机电控系统的改造

3.1 基于PLC控制器对电控系统改造

结合图1中初步设计的提升机电气控制系统基于PLC控制器改造后的结构框图，结合该矿井现场实际情况和改造后电气控制系统的控制需求，为PLC电气控制系统配置如图2所示的硬件设备：

图2 基于PLC改造后电控系统硬件框图

如图2所示，基于PLC对提升机电气控制系统改造后所配置的硬件设备包括有全数字主控台、可控硅动力制动电源柜、高压切向电制动切换柜、制动泵、润滑泵站、高压开关柜以及智能型可控硅加速柜等[4]。

根据目前该矿井其他大型机电设备所选型PLC控制器的型号，针对提升机电控系统的改造也采用三菱FN2N系列的PLC控制器；根据提升机电气控制系统的需求统计，对应PLC输入点包括有54个，对应PLC输出点包括有37个。而当前市面上常用三菱PLC控制器的输入点和输出点分别为32个。因此，为改造后电气控制系统配置两套PLC控制器。

结合提升机在实际运输过程中的控制需求，设计如图3所示的控制流程图。

3.2 提升机可控硅调速系统的设计

针对提升机在实际提升或下放过程中需根据实时工况对其提升或下放速度进行实时控制。目前，就提升机的调速系统而言可通过直流调速系统和交流调速系统实现。目前，工业中尤其是煤矿生产中应用较为普遍的交流调速系统，而且工业中以变频器为核心的交流变频调速为主。但是，鉴于煤矿生产环境相对恶劣，若对变频器保护不当容易影响设备的寿命，从而增加了改造成本[5]。因此，鉴于可控硅整流器具备体积小、效率高以及重量轻的特点，本文将在基于PLC控制器改造的基础上基于可控硅整流器实现对提升机的调速控制。

结合提升机电机的结构，设计如图4所示的主控回路图：

图3 改造后提升机电气控制流程图

图4 可控硅主控回路电路图

如图4所示，在实际控制过程中PLC控制器将控制信号分出8组，根据减速或者减速的控制需求对回路中的电阻和可控硅部分进行截止操作。具体控制如下：当提升机需加速时，将回路中的电阻全部切除；当提升机需减速或者停机时，根据控制信号将可控硅整流器部分或者全部截止。

此外，基于可控硅整流器实现对提升机实时、平稳调速控制需求外，其还具备RS485通讯功能，即实现与上位机的通讯，从而可有效减少当前基于变频调速系统中必要的通讯电缆芯数，从而进一步提升了系统的可靠性。

4 提升机可控硅调速系统改造效果

传统提升机电气控制系统采用空气接触器对回路进行控制，该设备的功率为8.8 kW；而基于PLC控制器实现提升机可控硅调速后所采用的可控硅调速硅的功率为0.35 kW。按照每天工作18 h、每年工作330 d计算，每年可节约电量约为8.8 kW×18 h×330-0.35 kW×18 h×330=45 441 kWh。

为验证提升机在实际运输过程中是否能够实现平稳调速功能，对提升机从启动到停机一个循环的控制效果进行验证，所参照的一个循环速度控制曲线如图5所示。

采用本文基于PLC控制器实现提升机的可控硅调速系统后，在一个循环内得出提升机的速度控制曲线如图6所示。

如图6所示，对提升机进行改造后设备在整个循环阶段可实现平稳调速功能。

图5 提升机理想速度控制曲线

图6 提升机实际速度控制曲线