彬县煤炭有限责任公司 陕西彬州 713500
摘要： 随着煤炭行业的快速发展，煤矿提升设备也在不断的更新换代，在不少老矿上应用的提升机因使用时间久，设备比较落后，别是电气控制系统，大都采用的是串电阻式调速模式，能耗大，故障率高。与现行的煤矿机械化、智能化的发展趋势不适应。为了节省成本，增强矿井提升运输的安全可靠性，本文对煤矿在用的副斜井提升机电控系统进行了改造升级。改造后的系统操控更加方便、节能效果明显、安全性能也有了很大提高。
关键词： 煤矿 提升机 电控 改造
1 前言
下沟煤矿自1997年建矿投产，副斜井承担着全矿井下的矸石、小型设备、人员、以及辅助材料的运输工作，井口已安装运行一台由洛阳煤矿机械厂生产的2JK-2.5/20A型双滚筒单绳缠绕式提升机，滚筒直径Φ2.5m，宽度1.2m，最大静张力90KN，最大静张力差55KN，减速比20，提升速度3.85m/s；天轮型号为TXG-2000/15.5，直径2m；配JR1410-10型绕线式异步电动机，功率200KW，电压6000V，转速588r/min；提升钢丝绳型号为6Ｘ（19）-28.5-140-特-光-右交GB1102-74，直径28.5mm，单重3.048kg/m，公称抗拉强度1373MPa，钢丝破断拉力总和为450KN。双钩串车提升，一次可提升3辆1t、600轨距的矿车或9t大件设备。
2JK-2.5/20A型提升机采用的电控方式是比较落后的串电阻式调速方式，由于设备使用时间久，故障频繁发生，特别是电控部分经常出现卡壳现象。而电气室内由于串电阻设备庞大，发热量大，在夏天发热更为明显，导致电气室内温度过高，严重影响了其他配电设备的运行环境。
2 改造方案
根据现场设备的使用情况来看，目前存在问题最多的是电控部分，其他机械部分的部件磨损和老化并不严重，而电控的控制方式随着技术的发展和设备的更新换代，串电阻式调速方式已基本被淘汰，目前市场上很少使用。提出可以采用比较先进的变频调速控制电控方式，更换原有电机和电控装置，保留原设备的机械部分，对副井提升机进行改造。不但能解决提升机电控经常出现故障的问题，还避免了更换整机增加的成本，而变频调速方式又具备良好的节能效果。
3 设备技术选型
3.1 电机的选型
由于原提升机机械部分继续使用，故本次电机选择依据主要配套原提升机的各项参数，本次电控改造后控制方式由串串电阻式改造为变频式，结合矿井提升机现有电源现状，选中煤矿供电电压等级660V为电机电压等级，考虑到变频控制的增加的电机功率富裕系数，确定电机功率为250KW较为合适。
3.2 变频调速装系统选型
目前工业使用较为成熟的变频调速系统，结合矿井提升机配套电机的选择，使用交直交型变频调速较为合适，作为煤矿提升设备其必须具备提升重物、下发重物，空载运行等各种运行模式，故变频调速需具备四象限工作模式，并且具备较好的节能效果。本方案调速系统选择ABB公司 ACS800系列的全数字交直交DTC控制变频器。柜体式安装的 ACS800配置有有源供电单元，适用于能源可再生的传动场合。
3.3 网络化操作和监控系统设计与选型
提升机电气设备和机械设备比较复杂，且对运行的可靠性要求高，所以故障检测，故障处理及保护回路比较复杂。本系统采用1套西门子S7-300系列PLC形成主控PLC，另1套西门子S7-300系列PLC作为从属保护，利用PROFIBUS总线形成主从控制模式。
本系统在各个PLC分站上均采用PROFFIBUS总线连接方式，以减少系统设备之间的信号连线，减少故障点，提高系统可靠性和安全性。本套提升机电控系统采用现场总线控制系统，使用两套可编程控制器，操作台远程I/O，上位工控机通过现场总线构成整个提升系统的网络控制系统。现场总线网络拓扑结构如图1所示：
上位监控系统通过通讯卡与主控PLC相连接，主控PLC通过总线与控制保护PLC、水平操作台远程I/O信号设备连接，组成现场总线控制系统。双PLC系统控制设计，能实现过卷、反转、松绳、下坠、错向、闸损、过速和过载等保护功能的双重化，主控PLC和监控PLC单独完成罐位监视。两台PLC均能处理钢丝绳打滑，衬垫磨损监视、定点速度监视，同步开关监视，闸瓦磨损监视。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。
3.3.1 主控PLC
主要配置采用西门子S7-300系列PLC作为主控制PLC。S7-300为主站，完成整个电控系统的信号处理，数据计算，通讯控制，系统管理，系统操作，系统保护等，实现提升系统的各种工艺运行方式。主控系统对过速，过卷等实行多重保护，完成系统故障分层次保护。
.png)
图1：总线网络拓扑结构图
3.3.2 控制保护PLC
主要配置选用西门子S7-300系列，作为主控制PLC的从站。从PLC的根据外部冗余输入的有关数字开关量，输入模拟量，光电编码器脉冲等信号进行逻辑运算，同时监控提升机的启动、运行、停车等整个提升过程的运行状态及保护状态，以实现两台PLC实现相互冗余控制及冗余保护，提高了提升系统的安全性、可靠性，并减少事故的发生。同时，在从PLC中，采用提升机数字监控器软件，实现对提升机的行程控制和监视，与主控PLC形成冗余控制、保护模式，实现了《煤矿安全规程》的双线制保护要求。
3.3.3 安全回路
安全回路的作用是当提升机系统出现异常情况时能够停止提升机运行，并防止重新启动，以防事故进一步恶化。
安全回路中（安全回路，电气停车回路，以及闭锁回路）集成了所有的危及人或物的安全的故障信号。主要包括高、低压电源断电、直流快开跳闸、主回路过电压或接地、电枢过电流、励磁回路失电源、过电流、磁场失磁、传动系统故障、监控器失效保护、提升容器过卷、等速段过速、减速段过速、接近井口速度超过2m/s保护、反转保护、钢丝绳松动、急停保护、制动油过压保护、编码器失效保护等严重故障。
3.3.4 司机操作台
司机操作台配置的PLC，直接采集控制信号，和主控制PLC 形成冗余控制，保证控制执行的正确性；同时，通过两套PLC 共同进行提升机运行数据采样，可以形成对保护功能的冗余，在个别地方可以形成多重保护，从而达到《煤矿安全规程》的双线制保护的要求，对提升机的保护更加安全可靠。重要的操作信号和成组的报警信号在操作台上的信号板均显示出来，保证在没有上位机图形显示系统的情况下，仍然可以正常操作。司机操作台采用三段式，中间为显示部分两侧为操作部分。
3.3.5 制动闸液压站控制系统
控制系统设置两套闸控制环节（软件与硬件冗余），即外部继电器回路和内部PLC同时控制制动闸液压站，包括安全制动和工作制动。其中工作闸可实现PLC自动施闸和司机用闸手柄手动施闸。
3.3.6 上位监控系统
上位机主机主频3.0G，内存2G，硬盘200G，10/100/1000M自适应网卡；显示器选用 21吋LCD；打印机选用 A4惠普激光打印机。上位机与主控PLC连接，实行人—机通讯。系统具有远程联网能力，预留矿级网采集提升机生产数据的接口，可实现信息化管理。
3.4 传感器配置
3.4.1 速度和位置传感器配置
速度和位置传感器采用高精度轴编码器，作为速度反馈和位置测量。整个系统共安装3只轴编码器，其中主轴安装2只，分别作为两套PLC位置测量并相互监测，方便对提升机进行全行程的速度、位置检测和保护。高速轴安装1只，作为速度反馈。
3.4.2 井筒开关传感器配置
安装在井筒内上、下过卷开关是结构简单、动作可靠的无工作电源的开关。
3.5 信号系统
本系统中，KXT7矿用多功能提升信号装置采用PLC控制，主信号备用信号相互独立。备用信号满足应急开车条件。信号系统与提升机主控系统的安全闭锁形成如下关系：
（1）井底与井口闭锁功能；即井底不发信号，井口发不出信号。
（2）井口与车房闭锁功能；即井口不发信号，车房收不到信号。
（3）水平之间的闭锁功能，一个水平发出信号后，其它水平不能发出。
（4）信号指令之间闭锁功能；即某一信号指令发出后，其它信号指令不能发出，急停信号、停止信号除外。
（5）信号与开车回路的闭锁功能；即信号不发到车房，绞车不能启动。
（6）急停信号与绞车安全回路闭锁功能；即按下急停按钮，断开绞车安全回路。
（7）水平安全设施与信号的闭锁功能：跑车防护装置等井口安全设施不到位，信号不能发出。
3.6 电源系统
3.6.1 高压电源配置
副斜井配置4台高压柜，单母线接线，负责整个提升系统的双回路高压供电及保护，其中进线柜2台；测量保护柜1台；出线柜1台；高压配电系统为10KV双回路进线，一路工作，一路备用，故障后手动切换。其二次回路的连锁和控制接点输入到电控PLC控制系统进行操作控制。高压配电柜选用直流操作，配38AH直流屏一套。开关柜具有微机综保装置，兼备控制、计量、数据采集、通讯及继电保护功能。
3.6.2 低压电源配置
副斜井提升辅助设AC380/220V 50Hz低压电源采用二回路供电，二回路互为备用，当一回路源故障时另一回能进行切换。低压配电系统采用单母线不分段结线型式，为全系统提供控制、操作电源。进线柜内设双电源投切装置。
3.7 液压制动系统
原液压站运行中故障率过高，本方案为电控系统配置一套先进的型号为TH112A1低压液压站，更换现有的液压站。
4 改造后系统的安装调试
本次电控改造包含提升机电机的更换，故机械设备的拆除安装与电气及电控设备的安装应同时进行。设备安装完成后，对提升低速（小于0.5m/s）空罐的情况下试车，实时关注电流速度曲线趋势图，配合施工单位检查罐道安装情况；然后逐步提速，1m/s-2m/s-3m/s.期间重点检查等速段，减速段保护等速度保护功能可靠性；最后在闸控系统的配合下，加载运行，主要完成半载全速，全载全速的紧急制动实验。根据要求分别就提物半载的下放与提升、提物全载的下放与提升进行了实验，运行效果图如下：
4.1 提物半载提升
.png)
图2：提物半载提升图
4.2 提物半载下放
.png)
图3：提物半载下放图
4.3 提物全载提升
.png)
图4：提物全载提升图
4.4 提物全载下放
.png)
图5：提物全载下放图
5 结束语
矿井副斜井提升机经过本次电控系统的改造后，运行效果良好，连续运行三个月内，电控系统上没有出现任何故障，相比改造前提升机频繁出现的电控问题有了很大改善。并通过理论测，提升机在改造后，采用了变频调速，节电率在25-40%左右，且控制质量有了很大的提升，实现了无级变速。其提升机运行过程中实现了软停、软起，消除了电动机直接起动过程中对电网的冲击。矿用提升机电控系统改造为变频调速后，系统具有了节能效果，但更重要的是具有柔性化控制，使机械部份寿命延长的同时让提升机能够平稳、安全、可靠的运行，这对煤矿的安全生产有更深远的意义。
参考文献：
[1]卢燕著.矿井提升机电力拖动与控制[M].冶金工业出版社，2001
[2]杨晓峰.矿井提升机PLC电控变频调速系统的应用[J].山西焦煤科技.2005（06）
[3]马建民、赵增玉著.《现代提升机数字控制系统》，中国矿业大学出版社，2002年8月
[4]刘鹏.矿井提升机变频调速控制系统研究与设计[D].太原理工大学 2013