煤矿提升机变频调速系统开发与应用.pdf

收稿日期2019－12－12 煤矿提升机变频调速系统开发与应用 刘鹏 （山西宏厦第一建设有限责任公司， 山西阳泉045008） 摘要煤矿提升机是煤矿生产中至关重要的大型设备之一，与煤矿生产效益以及生产安全密切相关。针对煤矿提升设备原有电控系统存在的不 足，结合生产实际，对原电控系统进行了改造，引入由PLC与变频器相配合的变频调速系统，并对具体实现过程进行介绍。实践表明，该提升机 变频调速系统能够较好地实现对矿用提升机的调速控制，同时具有自动化程度高、运行成本低、无级变速、运行安全平稳的特点，为煤矿生产企 业增加了经济效益。 关键词煤矿；提升机；变频调速；PLC 中图分类号TD53文献标志码A文章编号1009－9492 2020 06－0166－03 Development and Application of Frequency Control System of Coal Mine Hoist LIU Peng （Shanxi Hongxia First Construction Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045008, China） AbstractCoal mine hoist is one of the most important large equipment in coal mine production, which is closely related to coal mine production efficiency and production safety. In view of the shortcomings of the original electric control system of the coal mine hoisting equipment, combined with the production practice, the original electric control system was reed, the frequency conversion speed regulation system which is combined with PLC and frequency converter was introduced, and the specific implementation process was introduced. The practice shows that the frequency conversion speed control system of the hoist can better realize the speed control of the mine hoist. At the same time, it has the characteristics of high automation, low operation cost, stepless speed change, safe and stable operation, which increases the economic benefits for the coal mine production enterprises. Key wordscoal mine; mine hoist; variable frequency speed regulation; PLC DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 06. 066 第49卷第06期Vol.49No.06 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 刘鹏. 煤矿提升机变频调速系统开发与应用［J］. 机电工程技术，2020，49（06） 166-168. 0 引言 煤矿提升机是煤矿生产中至关重要的设施，承担着井下 与地面人员、设备、矿物的运输重任[1-2]。目前，部分煤矿所 使用矿用提升设备系统较为久远，系统以绕线式交流异步电 机作为动力来源，在转子的回路内部串联多段外接的电阻进 行调速，利用凸轮控制器、继电器和接触器的配合实现控 制，存在控制稳定性差、能耗高、故障率高的不足，可靠性 相对较差[3-5]。具体表现为利用电机转子串联电阻进行调速能 量消耗较大、调速的范围比较小、控制平滑性差，继电器、 接触器故障率较高，调速不够平稳，对其他机械设备造成很 大冲击而引起设备磨损，影响设备正常寿命，给企业造成了 巨大损失。针对这一现状，本文采用行业公认的较为先进的 全数字变频调速的现代交流调速技术，结合可编程逻辑控制 器（PLC）对现有电控系统进行了改造优化，实现了对提升机 的无级变速控制，增强了安全保护，大大提高了系统的安全 性、稳定性以及可靠性。 1 总体方案 煤矿提升机变频调速系统的主要功能在于对提升电机启 动、运行以及停机过程中对加载在电机上的电流进行频率变 换，达到对电机电流平缓控制、电机运作速度调整、冲击保 护、功耗降低、安全保障的目的。变频器调速的主要原理是 依据交流异步电动机的转速n与供电电源的频率f呈一定比例 关系，数学关系如下 n 60 f 1-s p （1） 式中s为异步电机转差率；p为交流异步电动机的极数对， 由交流异步电动机本身确定。 由式（1）可知，在转差率以及极对数不变情况下，提升 电机的转速与供电电源的频率成正相关关系。因此，可通过 调节供电电源的频率实现对提升电机速度的改变。利用传感 器或其他检测设备，对反映提升设备运行状态的参数进行采 集监测，由PLC软件程序进行运算，根据运算输出不同的控 制指令给变频器，变频器输出不同频率的电流给异步交流提 升电机，实现对提升机运转速度、方向的控制。 基于PLC与变频器配合的调速系统，具有调速连续、调 速过程平滑的特点，即所谓无级变速。另外，结合实际生产 情况，增加用于安全保护的制动单元以及制动电阻，可以实 现电气中的软启动，冲击电流较小，大大减少对机械结构的 冲击磨损，降低了维护成本且运行能耗较小，具有安全、经 济、高效的优势。矿用提升机的结构如图1所示。 图1矿用提升机结构示意图 166 2 变频调速系统 2.1 系统的硬件选型 提升机变频调速系统的硬件主要包括 PLC、变频器、 传感器以及通讯结构等。PLC 为系统控制核心，经过分析 比较，选用德国西门子公司设计生产的SIMTIC S7-300系列 中型PLC，结合生产实际需要选用315-2DP型号CPU。该型 号 CPU 功能强大、性能稳定、广泛应用于工业控制领域。 变频器作为变频调速的核心部件，经过比较，选用西门子 Micro Master440变频器，该变频器为通用版本，支持多种控 制方式、具有出众的过载能力，内置制动单元，适用范围 比较广；具有6个数字量2个模拟量输入、2个模拟量输出 以及 3 个继电器输出；集成了 RS-485 接口模块，可支持 Profibus 以及 Device-Net 通讯；具有高效保护功能，包括过 载电流持续保护，高低电压保护；变频器以及提升电机过 热保护；接地以及短路保护；电机闭锁保护，失速保护等 功能 [6-8]。 2.2 控制模块 控制部分按实现功能分为对提升机上升、下降、速度调 整以及安全保护。变频器调整速度控制提升过程中，利用旋 转脉冲编码器，对提升机的位移进行监测，实现精确的定 位。调速控制过程中，采用S型曲线速度，初始启动状态下， 首先保持加速，然后转为匀速状态，最后利用减速环节以及 制动控制实现容器平稳停止。该过程能够有效减少由于转矩 脉冲引起的机械冲击，对卷筒、减速结构、传动结构等起到 充分的的保护作用，减少机械磨损，延长结构寿命，降低设 备故障率及维修成本。同时，可对变频器设定减速程序，在 故障情况下，PLC发出减速指令后，变频器按设定参数执行 减速操作。变频器采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT） ，交-直- 交变频调速，无需额外电阻附加，即可实现无级变速。采用 PID控制方式，通过逆变器向负载提供变频的电源，使所有控 制功能均由参数设定完成，实现对电机高动态性能的转矩转 速控制。 2.3 监测保护模块 监测保护部分主要通过布置传感器感知电机转速、液压 油压力、电机电流大小、下放以及上升位移等信息经信号调 理转换后转化为数字信号，由通信模块传输到CPU。当监测 的状态参数出现故障异常时，PLC控制声光报警系统发出警 告，同时对运行情况做出调整，降低运行速度甚至停机，提 醒检修，保障设备安全。此外，系统对电路设置过流保护、 过卷保护、抱闸停机以及变频器紧急停机，电路电流超出阈 值时自动报警、降低负荷、保障安全；严重故障情况下，PLC 给出急停信号，通过停止变频器电能输出，依靠机械制动实 现紧急停机。PLC的外部接线如图2所示。 3 通信网络 通信网络主要通过通信结构构建、通信协议组态实现各 部件之间的信息交互。变频器与PLC之间通过通信接口利用 Profibus-DP通讯协议实现通讯。PLC利用模拟量输入接口以 及数字量输入接口对检测设备采集的反映设备状态的模拟 量、数字量参数分别进行预处理、A/D转换，并进行相关运 算，根据计算结果输出控制指令。PLC通过以太网通讯接口 实现将监测控制信息实时整合反馈到与监控中心以及其他上 位机相连的工业以太网中。通信网络结构如图3所示。 4 软件设计 软件系统设计包括对 PLC的编程以及变频器的 调试。对PLC的编程利用 较为简单、直观的梯形图 （LAD） 编程语言构建逻 辑关系图进行编程。本文 结合开发难度，选择应用 较为广泛的STEP7软件通 过高效的梯形图对 SIM⁃ TIC S7-300进行编程，同 时利用STEP7软件进行了 程序功能的测试完善。西 门子 MicroMaster440 变频 器可直接通过用户调试面 板进行功能的安装调试。 根据提升电机参数进行电 动机类型选择、额定电 流、额定电压、额定功 率、额定速度等参数设 置，选择带传感器矢量控 制，对控制参数进行设 图2PLC外部接线图 图3通信网络结构图 图4PLC软件程序流程图 刘鹏煤矿提升机变频调速系统开发与应用 167 置，同时设置加速时间、减速时间等，进行调试直到系统可 到达预期效果。系统PLC软件程序流程如图4所示。 5 结束语 本文针对煤矿提升机现有电控系统的缺陷，设计了一套 以PLC和变频器相结合的矿用提升机变频调速系统，并进行 了开发应用。系统可实现对矿用提升机电动机的平稳控制， 完成设备上升、下放、运转速度调整、安全保护等一系列智 能控制功能。实践结果表明，该系统具有控制性能好、平滑 稳定、安全可靠、能耗较低的优势，可大大减少设备的磨 损、振动与冲击，有效降低设备故障率，增加设备使用寿 命，切实为企业增加经济效益。 参考文献 [1] 刘映武,李居鹏. 四象限变频调速提升机的开发应用[J]. 煤矿 机电,2006691-92. [2] 朱焕立, 刘许亮. 变频调速电控系统在煤矿提升机自动化控 制中的应用[J]. 煤矿机械, 2014, 353173-174. [3] 王广卿.变频调速技术在提升机电控系统中的应用[J].技术与 市场,2015,220988. [4] 马小飞.变频调速技术在煤矿提升机上的应用[J].内蒙古煤炭 经济,2018069-10. [5] 范瑞波.矿井提升机调速系统设计[J].西部探矿工程,2018,30 10159-160. [6] 吴仲强,星跃明,张寿安.变频调速技术在煤矿提升机中的应 用[J].科技传播,2012,423140-141. [7] 王浩,雷汝海,魏培,等.基于PLC的煤矿提升机变频调速系统 [J].化工自动化及仪表,2011,38081025-1026. [8] 王建亮.全控双馈变频调速系统在矿井提升机中的应用[J].工 矿自动化,2009,350697-99. 作者简介刘鹏 （1981-） ，男，陕西渭南人，大学本科， 工程师，研究领域为煤矿机电安装。 （编辑 刁少华） 由于复合母排所具有的特征及优势，使其生产出的变频 器可以实现连续采煤机的规模化生产，同时减少装配失误， 提升生产效率。 （3）散热结构 在使用变频器的过程中，大约有2～3的电能转变为 热能，这远远超出了其他电器设备所形成的热量。在连续采 煤机中，其行走变频系统存在较多的IGBT、较大的功率，并 且全部封装于一起，不具有充足的散热空间。在早期的行走 变频系统中，其所运用的冷却形式是利用导热硅脂将IGBT直 接分布在电控箱的后板上，运用循环冷却水的形式来分散热 量。在将连续采煤机的变频系统加以改善之后，运用阵列形 式将IGBT分布于已完成封装的变频器底板中，并将该底板安 装于变频器箱的后板中，中间需要均匀地涂抹导热硅脂。通 过运用这种散热形式，可以改善散热不均的问题，增加散热 的效率[8]。 此外，在已经封装的变频器内部，应当将控制单元及驱 动单元进行分区排列，并运用相应的措施来降低变频内部的 接线率，促进散热，使变频器的温升降低。 （4）功率因数、谐波抑制 变频器系统在改善之后，其要求功率因数必须超出0.9， 减少无功功率的消耗，同时谐波必须达到安标及公用电网谐 波的要求，其中电压总谐波产生畸变的概率应当小于4。 4 结束语 在连续采煤机中，其内部安装的行走电气驱动系统已经 由交流变频器转变为直流调速系统。从第一台连续采煤机下 线之后，我国所用连续采煤机中的行走变频系统已经转变为 四象限变频系统，并且对其工艺与设计进行了改善。通过实 践表明，连续采煤机内部的行走变频系统在经过改善之后， 其生产效率得到了极大提升，行走系统在作业面空顶状态下 的服务时间得以降低，同时公用电网的各个要求得到满足。 该型号的四象限变频器不仅可以实现采煤机的应用需求，而 且在采煤机优化项目及梭车中有着广泛运用。 参考文献 [1] 马鹏飞.变频器系统在电牵引采煤机中的应用[J].煤矿安全, 20190980-82. [2] 张一博.煤矿采煤机变频器实时监测系统设计[J].机械研究与 应用,20190422-24. [3] 朱海军,张文平,卢泽旺.高压十二脉动三电平防爆变频器在 刮板输送机中的应用[J].煤矿机械,20160833-36. [4] 聂建国.防爆变频器在煤矿井下胶带输送机上的应用[J].当代 化工研究,20190440-42. [5] 王健,程明锋,杨文辉,等.中低压防爆变频器功率单元热分析 [J].矿山机械,20190914-16. [6] 封安波,李俊强,靳宁宁.大功率刮板机防爆变频器设计及应 用研究[J].山东工业技术,20170933-36. [7] 郭成兴.电牵引采煤机变频器故障分析与处理[J].煤,2008 0990-92. [8] 王德光.变频驱动技术在连续采煤机行走系统中的应用[J].工 矿自动化,20100633-35. 作者简介杨鹏 （1983-） ，男，山西繁峙县人，大学专 科，助理工程师，研究领域为煤矿采掘技术和设备。 （编辑 王智圣） （上接第146页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 2020年06月机 电 工 程 技 术第49卷第06期 168