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）

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：

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

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

图2 PLC外部接线图

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。

图3 通信网络结构图

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SIMTIC 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。

图4 PLC软件程序流程图

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。