煤矿提升机变频控制系统的设计与实现研究

李奔锋

（郑煤集团 郑新公司，河南 郑州 450000）

1 概 况

煤矿生产过程中提升机是重要的辅助运输设备，作用是对生产用的物品、人员以及开采的煤炭资源等进行运输，所以其稳定可靠运行对于保障煤矿生产效率和安全至关重要。随着煤矿生产机械化程度越来越高，产量越来越大，对煤矿提升机的综合性能要求也越来越高，尤其是控制系统方面，变频调速技术的应用越来越广泛。本文以平煤十二矿JK-2.5×2P 型提升机为研究对象，对该矿提升机变频控制系统进行设计，通过实践应用发现效果良好。

2 变频控制系统整体方案设计

2.1 整体方案设计

以平煤十二矿使用的JK-2.5×2P 型提升机为对象进行分析，图1 为煤矿提升机变频控制系统整体方案框图。可以看出，整个变频控制系统以PLC控制器为核心，同时配合使用专业的传感器对设备的关键状态信息进行采集，比如利用编码器对电机转速进行检测，利用磁开关对罐笼位置进行采集。传感器采集得到结果通过工业网络上传到PLC 控制器中，利用内置的算法程序对数据信息进行综合分析处理，根据处理结果下达控制指令，实现变频器输出电压频率的精确控制。

图1 煤矿提升机变频控制系统整体方案框图Fig.1 Overall scheme block diagram of frequency conversion control system of coal mine hoist

根据异步电机的工作特点，电机的电压频率不同时输出的转速也存在差异，以此实现电机输出转速的控制，最终达到控制提升机运行速度的效果。PLC 控制器与上位机监控系统进行连接，可对提升机的运行状态进行可视化展示，以便工作人员及时了解提升机设备运行状态，同时可在操作台上对PLC 控制系统进行控制。提升机的制动单元通过变频器接受控制系统的指令，紧急情况下可对提升机滚筒进行液压制动，保证设备的运行安全。

2.2 提升机速度控制曲线

平煤十二矿JK-2.5×2P 型提升机的速度变化曲线如图2 所示。可以看出，提升机运行时的速度经常变化，主要经历了加速、恒速、减速等不同阶段，因此对速度控制方面的要求非常高，控制不好就会影响设备运行的稳定性和可靠性。

图2 提升机的速度变化曲线Fig.2 The speed change curve of the hoist

JK-2.5×2P 型提升机从静止开始到达最大运行速度经历2 个加速阶段，加速度分别为0.3 m/s2和0.5 m/s2，平稳运行时速度为3.81 m/s。减速过程同样经历2 个阶段，对应的加速度与加速阶段相同。为实现提升机速度的精确控制，需利用编码器对主电机的输出转速进行检测，利用磁开关对罐笼的位置进行准确检测。

3 变频控制系统硬件部分设计

3.1 PLC 控制器选型设计

控制系统由很多硬件装置组成，以PLC 控制器为核心，对PLC 控制器的综合性能提出了一定的要求，PLC 控制器的性能越好，控制系统的综合性能越优越。基于此，根据平煤十二矿JK-2.5×2P 型提升机实际情况，设计的控制系统选用西门子S7-400 型PLC 控制器，具有标准化、速度快、体积小等众多优势，可以满足该矿提升机的实际使用要求。

S7-400 型PLC 控制器在硬件结构上采用模块化设计，各项功能由不同的硬件模块实现。CPU 模块是核心部分，型号为CPU224，作用是存储软件程序，并对输入的数据信息进行分析处理；电源模块型号为PS 405，作用是对输入的电压进行转换，根据实际需要获得不同等级的直流电压，供不同的模块使用，保证各个模块的正常工作；通信模块的作用是进行各个硬件装置之间的连接，实现数据交互，具体型号为CP 440。S7-400 型PLC 控制器的接线如图3 所示。

3.2 变频器的选型设计

提升机变频控制系统中，变频器的作用是根据PLC 控制器下达的控制指令，调整输出的电压频率，实现电机转速的控制。此次工程案例中，S7-400 型PLC 控制器为西门子公司产品，为了确保变频器与控制器的兼容性，变频器同样选择西门子6SL3210-5BE21-5UV0 型变频器，如图4 所示。

图4 变频器的基本构成原理图Fig.4 The basic schematic diagram of the inverter

该变频器主要由3 部分构成，分别为整流电路、直流中间电路和逆变电路。对于外部输入的交流电，首先利用整流电路对其进行处理，将交流电转换得到直流电，再利用直流中间电路对电流进行处理，提升其稳定性，最后利用逆变电路将直流电转换得到交流电。整个过程接受控制回路的控制，在进行逆变转换时可以根据实际需要获得不同的电压频率。

4 变频控制系统的软件程序部分设计

为此次设计的提升机变频控制系统的软件程序主要流程如图5 所示。由图5 可知，控制系统的软件程序主要由1 个主程序和多个不同的子程序组成，主程序运行时根据控制系统的实际需要调用对应功能的子程序。主程序工作时，依次启动信号输入功能块和计算功能块，对传感器的数据信息进行收集并分析计算。系统运行时有2 种控制模式，分别为检查方式速度给定、自动或手动方式速度给定，默认为前者。

除可以实现提升机运行速度的精确控制外，软件程序还包括CPU 启动组织模块、通信组织模块、报警诊断功能组织模块、固定值参数组织模块等。这些子程序模块在保障提升机系统正常运行方面发挥着重要作用，比如报警诊断功能组织模块能够及时发现故障问题并进行声光报警，实现故障诊断的效果，缩短系统故障时间，为系统稳定可靠运行奠定了的基础。

5 变频控制系统的实现及应用

将设计的提升机变频控制系统应用到平煤十二矿提升机工程实践中，在现场对设计的控制系统进行调试，确定各项设计功能都正常后投入使用。目前，控制系统在平煤十二矿提升机工程实践中的应用时间已经超过1 a，通过对提升机控制系统服役过程中的数据信息研究，认为系统的性能达到了预期效果，设计的控制系统能够对提升机设备进行高效精准控制，显著提升了设备运行过程的可靠性和安全性，同时达到了节能降耗的目的。提升机故障率降低大约10%，节省了设备维护成本；变频调速技术使提升机的运行转速可以根据实际需要进行调节，所以在运输相同重量物质的情况下，设备整体能耗有所降低，降低幅度在15%左右，降低了生产成本。

6 结 语

以平煤十二矿JK-2.5×2P 型煤矿提升机为对象，结合煤矿的实际需要对提升机的变频控制系统进行研究与设计，工程实践应用表明，系统性能良好。设计的变频控制系统以PLC 控制器为核心，利用编码器实现主电机转速检测，利用磁开关实现罐笼位置检测，实现提升机不同阶段速度的精确控制；PLC 控制器和变频器选用西门子S7-400 和6SL3210-5BE21-5UV0，保证硬件之间的兼容性；系统的软件程序方面，根据系统的功能需要设计多个子程序，主程序运行时可以调用子程序，且能够嵌套调用。设计的控制系统在平煤十二矿实际生产中应用1 a 以上，设备故障率降低了10%，提升机能耗降低了15%，达到了预期效果，安全效益和济效益显著。