矿井提升机电控系统的研究与设计

张梦瑜

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

引言

煤炭安全高效开采对于保障能源安全尤为重要。自动化采煤机械装置的大规模使用在提高煤矿生产能力和自动化水平的同时，极大地节省了人力物力，并提高了作业安全性。矿井提升机作为众多煤炭开采运输环节中的重要组成部分，承担着矿井安全快速运输的重要任务[1]。随着科技水平的进步、装置应用的拓展，整体生产水平的提高，对采煤机控制系统安全性和可靠性要求也进一步增加，而传统控制系统难以满足生产新要求[2]。

为进一步提高煤矿提升装置生产效率及自动化技术在控制领域的应用深度，通过使用PLC 数字控制技术，增强煤炭生产运输过程的精确性和可靠性，以适应煤矿井下复杂的生产环境，提高矿井提升系统运行稳定性。

1 电控系统设计方案

如图1 所示，矿井提升机系统主要由主轴承、减速器、制动系统、深度指示器、主轴装置、联轴器、电动机等7 部分组成。主轴承及其附属卷筒、基座等主要通过电机转动牵引绳索并提升物料等负载；根据负载情况调节减速器可以控制齿轮转速空置比例，改变输出力矩，并进一步调节提升速度；在制动盘等装置的作用下，制动系统可以实现对执行单元的平稳控制；深度指示器可以准确反映提升机当前位置；联轴器可以补偿两轴之间的偏斜量，减少运行冲击。

图1 矿井提升机系统组成

除此之外，系统整体运行过程中的润滑油和温度也至关重要，润滑单元则完成对上述物理量的实时测量，动态调节系统摩擦力的运行速度，在完成机械快速运行的同时，保证其使用寿命[3]；而对于提升物品的运动信息则由电子控制单元完成监控，通过位置、速度、加速度等传感器的密切配合，可以完成对提升系统启停状态的控制；通过安装在定子前端的旋转编码器，保护装置可以收集、监测相关信息，确定系统状态，防止超载等故障的发生[4]。

2 电控系统硬件部分设计

2.1 电控系统结构设计

如图2 所示，为满足矿井提升系统控制要求,设计了基于双PLC 电控系统。系统主要由物料卷筒、变频器、运行监测装置、双PLC 核心、行程保护装置、操作控制装置、电动机、高速旋转编码器、操作保护装置、减速装置、电源等12 个部分组成[5]。双PLC 冗余控制保证系统安全稳定，电源部分为变频器、PLC 等主电路器件及控制电路元件提供电压来源，操作保护装置通过误动作保护、指令校验等功能可以保证操作人员安全完成PLC 控制系统命令下发，并通过通信协议完成PLC 与PLC，及PLC 与变频器的控制通信，从而完成变频器对电机的实时驱动控制，电机的输出端与卷筒固定连接，便于实现货物稳定提升[6]。

图2 煤矿提升机控制系统框图

在提升物料的过程中，电机转速、温度等由传感器实时测量，变频器解读总线通信协议并将系统关键参数如电压、电流、功率等打包传输给PLC1 和PLC2，监测控制系统通过对货物重量、货物实时位置、当前系统电压和绳索状态等多个关键物理参数的测量和比较，可以有效避免卷线和松动等意外状况的发生[7]。

2.2 变频调速系统原理

为便于实现矿井提升系统提升过程的精确化控制，需要使用PLC 和变频器。变频器通过整流电路、逆变电路、IGBT 等大功率开关器件模组及其控制电路的配合，实现对交流电压的动态调整，而交流电机控制方法主要有直接转矩控制法、转差频率控制法、V/f 控制法以及矢量控制法等4 种方式。其中直接转矩控制法避免了解耦的复杂计算，通过直接测量电压电流等的物理量的方式便可以计算当前转矩，系统更加平稳，运行更加简便，也更适应煤矿复杂多变的生产环境。

2.3 通信系统设计

系统数据传输格式及通信系统如图3 所示，主要由发射单元、接收单元和传输媒介组成，控制指令和数据传输指令等关键指令在发射单元将数据打包为数据帧后，经由传输媒介传递到接收单元进行解码，便完成信息传递，系统各发射接收单元地址码一一对应。数据帧主要由初始段、地址段、功能段、数据段、校验段和结束段组成，其中校验段中数据主要通过CRC 循环冗余算法对前段数据进行计算、由发射单元和接收单元分别计算、核对以确保传输数据准确无误。在完成接收数据校验后，各收发单元通过对数据帧数据解析，得到当前系统关键参数，实现对电动机、变频器等主电路设备状态的持续监控[8]。

图3 通信系统结构与数据帧结构图

3 软件流程设计

3.1 货物运输操作流程

矿井提升机运行流程如图4 所示，运行状态与货物重量密切相关，当系统负载处于正常范围内时，完成货物安装工作后，变频器驱动电机启动加速，一段时间后系统处于匀速运行状态，稳步提升货物至预定位置，再次持续一段时间后，开始进入减速运行状态，当提升至终点附近时处于低速爬行状态，并在终点附近停止动作，完成停车和卸载物料工作[9]。不同的运输货物其速度也不相同，其中货物运输为9 m/s，人员运输为5 m/s，系统检修时为0.3 m/s。

图4 矿井货物运输流程图

3.2 电控系统的工作流程

如图5 所示为双PLC 矿井提升系统控制流程图，并在STEP7 软件环境中完成程序设计。启动流程后，通过系统初始化完成基本参数设置和功能自检，当系统状态异常时，启动声光报警并提示进行参数重定义，进入下一流程完成位置判断。当其初始位置处于预定范围内时，系统正常启动并开启速度控制系统，依次完成绳索运行状态监测（过卷、过载、松动），由此判断系统是否发生故障，一旦有相关故障发生则触发对应回路进行应急处置。处置完毕后对当前状态进行再次判断，直至满足相关要求时，才进入下一阶段，否则停止工作[10]。

图5 PLC 软件控制系统流程图

4 结语

为增强煤炭生产的自动化和机械化水平，提高矿井提升机系统控制的精确度和安全量，设计了以双PLC 为核心的电控系统，在梳理提升步骤，改良系统控制流程的基础上，进行硬件和软件设计。系统主要由操作单元、控制单元、监测单元等三部分组成。通过监测电动机、绳索等关键部件的状态，避免其出现松绳、过载、超速状态，并采取相应安全措施，提高煤矿提升机系统稳定性。