矿井提升机直流控制系统的研究

马红兵

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿运输区大巷维护队，山西 太原 030022）

0 引言

提升机为煤矿生产的主要运输设备之一，其主要承担煤炭、矸石、设备以及人员的运输任务，其可靠性和安全性直接决定其提升效率，而传统的提升机电控系统存在故障率高、线路老化严重、耗电量大、后期维护困难以及设备严重老化等问题[1]。因此，为实现矿井提升机电气控制系统网络化、智能化、信息化控制，在调研当前国内外提升机电控系统应用现状的基础上，拟将直流调速控制系统应用于提升机中。

1 提升机直流调速控制系统的总体设计思路

以官地煤矿的竖井提升机（JKM-2.8×4）为例，该提升机最大提升速度为8.473 m/s，其他关键参数如表1所示。

表1 JKM-2.8×4提升机关键参数

对于矿井提升机电气控制系统，首先需保证其能够根据提升机负载的变化对提升速度和方向进行控制，即满足四象限运行要求，其次要求其能够根据所提升对象采用对应的提升速度，具备平滑调速功能。

结合当前工业自动化系统的整体结构形式和官地煤矿的具体情况，采用直流电机对提升机进行控制。采用“3+2”的网络结构作为提升机直流调速控制系统的结构形式，其中，“3”为直流调速控制系统的设备层，包括执行层（与提升机相关的现场设备主要以传感器、执行机构为主）、控制层（直流控制系统的核心）、管理层（数据监测站和服务器等），“2”为直流调速控制系统的网络层，即实现设备层之间的相互通信，执行层与控制层之间的通信网络为控制网络，控制层与管理层之间的通信网络为监控网络[2]。自20世纪80年代中后期以来，国内外对提升机传动装置的研究已经取得了初步进展。鉴于矿井提升机的电气控制对系统的抗干扰能力、控制精度和控制性能要求较高，对比各种调速装置的优劣性，全数字直流调速装置具有如下特点[3]：一是具备自主设定参数的功能；二是可采用数字量和模拟量两种数据模式进行控制；三是对控制系统电流和电压可实现高精度检测；四是具备与其他调速装置、PLC控制器和上位机通信的能力；五是能够对提升机的运行参数进行实时监测，并具备自适应和自学习的功能；六是可通过上位机或者相关调试软件对相关参数进行远距离修改、设定等。

本文将采用全数字直流调速装置作为核心，实现对提升机的直流调速控制，具体型号为DCS系列的四象限全数字直流调速装置。

由理论分析可知，当提升机处于下放工况时，提升机对应的转矩最大，配套电机的电流也最大。因此，本节以提升机额定负载工况为例，对DCS系列四象限全数字直流调速装置的容量进行选择。鉴于篇幅原因，此处仅列出计算结果。经计算，与全数字直流调速装置相匹配的整流变压器的容量为6 320 kVA，其对应全数字直流调速装置的具体型号为DCS600，主回路中的电枢整流装置和励磁整流装置的具体选型结果如表2所示。

由于DCS600系列全数字直流调速装置具备对所控制设备运行参数实时监测的功能，结合提升机的运行工况，要求直流调速装置可对提升机的运行方式、不同负载下励磁和电枢电流值、提升罐笼的位置等参数进行实时显示。此外，还需对已停车提升机液压控制回路中的油压进行监测。

表2 主回路整流装置选型结果

2 提升机直流调速控制系统的软硬件设计

2.1 硬件设计

结合前文中所提出的提升机电气控制系统“3+2”的网络结构，本方案采用PROFIBUS-DP现场总线技术实现执行层、控制层和管理层的通信，其具体的网络结构如图1所示。

图1 提升机电气控制系统“3+2”网络结构示意图

如图1所示，上位机通过PROFIBUS现场总线技术实现与监控PLC控制器、信号PLC控制、远程I/O、触摸屏以及DCS600系列的四象限全数字直流调速装置之间的通信。其中，监控PLC控制器是对提升机各运行参数信号处理的核心，信号PLC控制器是对提升机电机运行参数监控处理的核心，触摸屏是显示提升机及电机实时工作参数的装置，DCS600系列四象限的全数字直流调速装置是实现对提升机速度进行平滑、实时控制的核心[4]。

结合提升机实际控制需求，本方案中所选型PLC控制器为S7-300系列。直流调速控制系统的其余硬件选型如表3所示。

2.2 软件设计

根据提升机的实际运行工况，设计如图2所示的主控制程序。

如图2所示：系统在运行的初始化阶段需对安全回路是否能够正常运行进行检查，若回路不正常需对其进一步检查直至确认为正常后才可发出开车指令；系统接收到开车指令后结合当前提升机的负载、罐笼的位置等实时参数计算本次提升任务的距离、速度以及加速或减速的时间段；根据不同的运输任务，当罐笼到达加速位置或者减速位置时发出加速或者减速的指令。期间，当提升机的运行状态与实际计算值出现较大偏差时，系统会发出报警信号并立即停机[5]。

3 结论

1）以DCS600系列四象限直流调速装置为核心，可实现对提升机速度的控制；

2）配置DCS602-1503-51电枢整流装置和DCF601-0050-51励磁整流装置，可对提升机的运行方式、不同负载下励磁和电枢电流值、提升罐笼的位置等参数进行实时显示；

表3 直流调速控制系统硬件选型

图2 提升机直流调速控制系统主控制流程图

3）根据提升机的控制要求设计的主控制程序，在提升机的运行状态与实际计算值出现较大偏差的情况下，系统会发出报警信号并立即停机。