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矿井提升机电控系统的现状与发展趋势

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：王卫杰

[导读] 摘要：矿井提升机作为井上井下的唯一输送通道，是矿山的咽喉设备，其运行性能的好坏与优劣不仅直接影响到矿山的生产效率，而且影响到矿山的生产安全，同时它也是矿山机电自动、智能化发展水平的显著标志，是数字化矿山建设的重要组成部分矿井提升机属往复运动的生产机械，且其负载为位能型负载，其对电控系统要求比较高，所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。

        开滦股份范各庄矿业分公司河北唐山 063100
        摘要：矿井提升机作为井上井下的唯一输送通道，是矿山的咽喉设备，其运行性能的好坏与优劣不仅直接影响到矿山的生产效率，而且影响到矿山的生产安全，同时它也是矿山机电自动、智能化发展水平的显著标志，是数字化矿山建设的重要组成部分矿井提升机属往复运动的生产机械，且其负载为位能型负载，其对电控系统要求比较高，所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。基于此，本文主要对矿井提升机电控系统的现状与发展趋势进行分析探讨。
       关键词：矿井提升机；电控系统；现状；发展趋势
        引言
        提升机运输设备在煤矿生产过程中发挥着重要作用，如煤矿井下、井上的生产过程，都需要通过提升机来实现货物的运输。煤矿开采是一个施工环境较复杂，安全事故率高的过程，因此煤矿企业对提升机电控系统的安全性、可靠性提出了更高的要求，但提升机电控系统结构设计较复杂，优化提升机电控系统技术方案存在一定的困难。
        1 矿井提升机电控系统的现状
        1.1 矿井提升机电控系统的范围
        矿井提升机电控系统主要包括配电控制系统、自动化控制系统、电气传动系统等三大部分。配电系统包括动态无功补偿ＳＶＣ或ＳＶＧ、高低压配电（含各种变压器）及综合保护系统。自动化控制系统包括闸控制系统、数字监控系统、速度控制系统等工艺控制。
        1.2 矿井提升机配电系统
        高压配电系统采用单母线分段结线方式，双电源进线。两回电源相互闭锁，当一段电源故障时另一段电源能担负全部负荷。高压电源二次回路的连锁和控制接点，输入到提升机自动化控制系统即PLC系统进行操作控制，便于远程集中控制和监测。同时提供过载、过压、过流报警节点。低压电源为AC380V／220V电源，采用单母线运行方式，为全系统提供控制、操作电源。配置低压电源柜，向电控系统、车房吊车、空调、冷却风机、液压站、照明以及检修开关提供控制、操作电源。为防止供电系统意外停电造成事故，增设大容量UPS电源，保证控制电源安全、可靠，同时完成主机冷却风机的工艺控制。井下低压电源为AC380V，中性点不接地系统，电源引自井上低压控制电源系统中的隔离变压器。计算机及PLC电源采用集隔离、稳压、滤波、整形、抗干扰和净化功能于一体的交流参数稳压器。配电装置馈出回路除满足提升机及电控设备以及主电机冷却风机本身所要的电源回路外，根据设计具体要求，留有供用户使用的备用馈出回。路，并满足容量要求。近年来由于矿山加大了开采力度，大功率大容量的矿井提升机控制系统应用越来越广泛，提升机电控系统对电网的影响也越来越大，尤其是大功率交交变频系统的广泛应用，要求对电网进行动态无功补偿和谐波抑制，一般采用SVC或SVG动态无功补偿系统。
        1.3 矿井提升机自动化控制系统
        矿井提升机自动化控制系统采用PLC控制器为中心，结合外围的设备完成提升系统的各种工艺控制，包括速度给定、行程控制、故障保护、闸控制、信号控制等。控制和监控系统采用两套PLC和继电器来完成提升工艺的控制及监控。上位机、主控PLC、操作保护PLC、主传动设备、信号系统通过现场总线构成现场网络，这样，减少了设备之间的连线，增加了系统的可靠性。同时为地面生产调度系统或全矿集中控制系统联网通讯提供了必要的接口，以便于实现矿山的高度自动化。
        2 矿井提升机电控系统的发展方向
        2.1 传动方案多样化
        随着传动技术的发展，尤其是大功率的交流变频技术的发展，矿井提升机电控系统的传动方案越来越多样化，根据用户的实际需求，可以配置各种不同的更加合理的传动方案。特别是近年来我国加大矿山的开采力度，大功率大容量的矿井提升机需求越来越多，大功率的交交变频系统和大功率的交直交变频系统应用越来越多。

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整体而言，交流变频传动系统是矿井提升机传动系统的主要发展方向，但在中等功率范围内，V－M直流传动系统由于其良好的性价比，仍有广泛的应用空间。同时，随着中压四象限变频技术的发展成熟，中压变频技术必将在矿井提升机上得到更多的应用与发展。G－M直流调速方案、转子回路切电阻方案以及脱胎于串级调速的双馈转子变频调速方案，必定逐渐淘汰。
        2.2 控制系统网络化
        现阶段矿井提升机自动化控制系统，均是用单PLC或双PLC为中心，采用远程I/O，通过现场总线实现联接，是现场总线的网络结构。为融入矿井信息管理系统，实现数字化矿山，矿井提升机自动化控制系统，将来必将采用多层网络结构，实现现场设备层、现场控制层与集中管理层间的无缝联接，所以控制系统的网络化是一个必然的过程，是数字化矿山系统的重要组成部分。
        2.3 监测智能化且保护多样化
        为适应矿井提升机自动化不断提高的要求，对现场设备需要更详尽更可靠的监测和控制，因此各种高性能、智能化的监测手段必将不断涌现，各种后备保护必须安全可靠，保护冗余。如对液压站实时监测与保护、对闸盘间隙等实时监测与保护，设计开发数字式监控器等。
        2.4 系统远程监控无人值守
        随着企业的发展，生产的规模不断扩大，每个矿山的矿井提升机的数量持续增多，生产任务不断加重，而劳动力资源却在自然减员，迫切要求矿山对多台提升机系统进行集中控制与管理，实现多台提升机远程集中控制、机房无人值守，减少劳动力、增加劳动效率，保证提升机的安全可靠运行，对矿井安全、持续、高效生产，加快矿井生产系统的现代化进程而言，将具有重要的实际意义与经济意义，是数字化矿山的高级应用实例。
        3 提升机电控系统技术方案优化实施
        （1）提升机电控系统中的高压配电系统优化，应选用10kV高压配电系统，并且采用两回进线相互闭锁、单母线不分段的运行方式。
        （2）全数字变频调速系统，应选用优质的变频器，当选择变频调速器时，应充分考虑提升机所需要的电机容量，如选择额定输出电流为192A、功率小于700kW的高压变频器。通过高压异步电动机提供电源，采用串联的电流方式来实现各个单元的控制，其中，高压变频器属于一次输入及保护功能，全数字变频调速系统采用三相交流电源的方式，通过隔离高压变频器来实现各个单元的三相电源输入，隔离高压变频器的主要目的是通过变压器的副边绕组产生相位差来消除PWM控制单元形成的谐波电流，通过改善电动机电感的滤波性能，从而提高高压变频器的输出性能。
        （3）低压电源控制系统，主要由一台低压电源控制柜构成，电压电源控制系统主要为煤矿开采过程中所需要的照明、空调、室内照明及检修等提供电源供应，并且需要设置双回路进线，双回路进线需要预留21%左右的备用回路。
        （4）提升机电控系统的智能型网络化操作系统，利用双可编程控制器来实现电子行程的监控管理，为了提高提升机的安全性，一般需要将操作系统细分化，即明确各个设备的监控管理工作，当双可编程控制器出现故障时，需要将继电器安装在操作系统中，从而实现应急操作功能，智能型网络化操作系统应配置相应的设备，如温度巡检仪、三相绕组电动机等。
        4 结语
        矿井提升机电控系统作为矿山现场设备的控制系统，随着数字化矿山建设的发展，必将实现无人化、网络化、远程化、自动化的特点，为矿山的安全、高效生产，提供强大的技术基础，为数字化矿山的建设提供强大的物理基础。
        参考文献：
        ［1］周雨松，孙晓娟．基于矢量控制的高压变频器在矿井通风机改造中的应用［J］．电气传动自动化，2010，(32):48－50．
        ［2］李天平，张伟，李猛，等．矿井提升机集中智能化控制系统的设计［J］．工矿自动化，2010，(8):16－18．