矿井提升机电控系统优化设计的研究

于 畅

（西山煤电集团有限责任公司公用事业分公司， 山西 太原 030053）

引言

煤矿提升机是煤炭提升的重要设备，提升机电控系统关系着煤矿提升效率和工作人员的安全，为此，诸多学者进行了相关方面的研究。梁秀春通过对煤矿提升机的电控系统组成部分的介绍，对其形成整体认知；通过对提升机电控系统的应用现状介绍，明确了其诸多优势；针对基于PLC 应用的现有问题，提出了改进煤矿提升机电控系统运行的措施，从而为煤矿提升机电控系统的发展提供一个新的方向[1]；李剑峰、魏宗楠仔细分析了变频器在煤矿主、副井提升机中的使用与改造状况，同时进行了实际应用，效果可观[2-3]；宋振海简述了PLC 技术在煤矿提升机控制系统中的控制原理, 结合自身的工作经验对PLC技术在煤矿提升机控制系统进行了应用设计, 基于PLC 技术的煤矿提升机控制系统大大提高了煤矿的生产效率[4]；孙振鹏、王建军等详细分析了煤矿提升机设备电气控制系统的技术改造，通过实践，提高了煤矿生产效率及生产质量[5-6]。本文在已有的研究基础上，进一步阐述了提升机电控系统改造思路，同时对电控系统进行了优化，可供后续研究参考。

1 提升机电控系统的改造思路

矿井提升机是煤炭提升运输的重要机械设备，提升机电控系统的优劣直接影响着煤炭提升速率，目前，矿井提升系统多采用继电器与接触器和串联电阻调试相配合的方式进行控制。

此种调试方式调控精度低、保护措施不足且较单一、提升机运行速度不易控制，现场工作人员只能靠经验依据动力制动和转子电阻的配合才能实现控制，但是也很难实现精确控制；在电气控制系统中，电器元件间如继电器以及接触器等元件因为电磁场的影响以及触电接触反应较慢等原因，导致电磁惯性大，机械反应慢，因此系统的精度较低，也是因为上述原因，煤矿提升机电控系统的改造也显得尤为重要。

根据矿井提升系统的改造要求，提升系统的基本设备中需包括电气系统智能化控制台、高压馈电开关柜、高压换向电制动切换柜、可控硅动力制动电源柜、智能型可控硅加速柜以及润滑泵站等设备，图1 为提升机电控系统的硬件配置示意简图。

图1 提升机电控系统的硬件配置

煤矿电气系统的控制中心核心由PLC 电气系统和电气系统上位机构成，相同，其软件也是由PLC 控制软件和电气系统上位机软件构成。其中，PLC 软件的主要功能是控制提升机的启动、停止以及加速等动作，改善提升机电控系统需从PLC 软件入手。

矿井根据自身产煤量以及提升控制系统的差异设计PLC 软件结构，而矿井的控制系统并不是一个单独的大系统，而是由众多提升控制的子系统构成，因此再对各个子系统模块进行设计。在对模块的设计中，矿井多采用日本三菱FX2N 系列可编程控制器，通过安全双线设计原则，结合多种检测模块完成设计运算，配以提升动作、控制实践以及控制速度等完成设计计算。

在控制系统控制器中，PID 算法是最为常见的，该方法适用于简单的控制过程设计计算中，但是如果基于提升系统整定PID 的话，矿井提升系统的建立和保护就变得非常麻烦了。在矿井电气系统中，提升电气控制系统往往需要给予补偿信号，这就使得电气过程扰动严重，因此电气系统的参数调整就变得异常艰难。

基于此，需进行自整定PID 依据扰动过程中负载的动态特性，矿井电气系统的控制器干涉效应的难度变化则不需要调整，此外，因为电气系统没有成熟稳定的规则标准，所以参数的变化设置也难以确定。

模糊控制考虑了矿井电气控制系统的复杂性和不确定性，在煤矿电气控制中必须保证提升机运动的精度，出于对系统的性能以及控制器稳定因素的考虑，只能根据采集的数据结果对矿井电气系统中的模糊关系进行验证。

2 提升机电控系统的改造

1）矿井提升电气系统控制方法从之前的交流系统改为直流系统，以保证矿山的安全，两组驱动马达用于驱动提升电气系统的发动机，矿井提升电气系统的整流器电动提升和速度控制电路用于6 脉冲电源。矿井提升电气系统的可逆阀和主电机可以工作在4 个象限中，电枢可逆回路示意图如图2 所示。

图2 电枢可逆回路示意图

2）提升机电气控制系统采用智能数字化的西门子控制设备，方便实现对电控系统的智能化控制，方便工人操作，也极大地改善了工作环境，系统出现差错的时候也能快速的排查。

3）利用两个PLC 控制并保护提升电气系统的运动，同时，将轴代码和PLC 连接实现实时监控，通过实时曲线判断系统的准确性。

4）两套安全回路分别保证电气提升系统和继电器系统的安全。

5）在主机显示屏上实时显示提升数据参数、运行状态以及系统故障信息。

矿井提升机电控系统中的恒减速液压站阀门的动作受到PLC 编程程序的控制，一般来说，矿井提升电气系统阀门的正常电压为9 MPa，当提升机进行减速或者刹车动作时，压力可降为5 MPa，可能导致阀门无法打开以及突然制动等现象；蓄电器内油压也得不到维持；矿井提升电气系统的油泵起动后开车指令未发出，偶尔会发生毫安表自动升起开闸现象。

液压站是矿井提升机机电控制系统改造的重要组成部分，液压站、盘形制动器、电控系统共同组成了液压控制系统，共同起到了保障安全制动的作用，液压站动作原理图如图3 所示。

图3 液压站动作原理图

对于提升机电控系统的改造，将井下主风扇以及副风扇的电机全部变换为变频电机，且选用进口SKF 轴承。因为电控系统的风扇发热严重，所以需要在电控系统的变压器上加上通风机来加大散热，保护机器设备的良好性。逐渐淘汰井下电控系统中的零序保护器。井下电控系统的变频器为了防止漏电以及外界辐射的干扰需将变频器的系统接地，所以电控系统接地的目的主要是降低设备的噪音，防止电磁的干扰，将井下提升电控系统变频器电机负荷线与控制回路的电缆分开敷设，并将井下提升电控系统变频器电机负荷线加装合适的屏蔽套管。电控系统变频器的电线需安装合适的屏蔽套管，减少外界的干扰。将电控系统中监控以及上位机等设备都用屏蔽电缆敷设，且设备与变频器的距离不应小于9 m，同时对井下振动变频器加屏蔽护套。