第２９卷第１期 邢台职业技术学院学报 、，ｏ１．２９ Ｎｏ．１ ２０１２年２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＸｉｎｇｔａｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｆｅｂ．２０１２ 全数字化矿井提升机电控系统设计 许运华，董永刚，杨翠平 （邢台职业技术学院，河北邢台０５４０３５） 摘要：在目前矿山企业提升机大部分采用异步电机转子回路串电阻的调速方式，能耗较大。 电控沿用ＴＫＤ系统，故障率较高。本文设计了一种全数字化高性能提升机电控系统，从而实现 了对传统提升机的改造，并成功运行于矿山生产中。 关键词：Ｓ７－３００ＰＬＣ；整流器；逆变器；矿井提升机 中图分类号：ＴＤ６３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－－－－－６１２９（２０１２）Ｏｌ—ＯＯ８ｏ＿＿０３ 一、问题提出 １．机械装置部分 矿井提升机是矿山生产中最重要设备之一，承 该部分主要包括减速器、滚筒、盘型制动闸、 担着地面和井下设备、人员、物料运输的任务，是 液压站、润滑站、深度指示器、钢丝绳、天轮等组 矿山生产的“咽喉”。其运行的安全性和经济性直接 成。减速机主要负责电机的速度和力矩转化，从而 影响着矿山企业的安全生产和经济效益，而且与矿 适应大功率的负载需要。滚筒是提升机的主要旋转 工生命息息相关。近年来随着能源问题的日益严 部件，上面绕有钢丝绳，带动负载运行。盘型制动 峻，煤矿采煤量日益加大，提升机安全性成为矿山 闸分布在滚筒的两侧，一般安装有４个，在运行制 企业关注的焦点，对提升机电控系统提出了更高的 动和出现故障时刹紧滚筒，起到安全停车的目的。 要求。 液压站向盘型制动闸输送液动力，使盘闸工作。润 从现场设备使用情况来看，提升机电控较多地 滑站起润滑滚筒主轴的作用，防止主轴过热机械失 采用ＴＫＤ系统，该系统采用大量继电器、接触器 效。 和模拟元件搭建而成，控制部分接线复杂，元件易 ２．电气控制部分 老化，控制精度不高。在传动系统方面，采用转子 电气控制部分包括主电路和控制监控部分。主 回路串电阻调速方式，属于有级调速，在速度切换 电路主要有三相断路器、三相接触器、三相进线电 点处，容易引起较大的机械振动，能耗大，故障率 抗器、整流器、逆变器、电机等组成。控制监控部 高。设备在运行过程中，不能提供友好的人机界面， 分由Ｓ７．３００ＰＬＣ控制系统、编码器、传感器、操 无法实现真正意义上的全数字化控制。本文把高性 作台等组成，整体负责提升机运行过程中行程参数 能Ｓ７．３００ＰＬＣ应用在提升机电控系统中，使得整 的实时显示、故障检测与报警、提升的启动与停止、 机运行性能得到提高。 故障安全停车、液压站与润滑站的控制等。 二、数字化提升机电控系统组成 三、Ｓ７－３００ ＰＬＣ控制系统功能 矿井提升机由机械和电气两大部分组成，其结 本文采用西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ，它是一种通用型 构图如图ｌ所示。这两部分组成功能分别如下。 ＰＬＣ，能够适合工业自动化各种应用场合，其内部 软触点替代传统继电器触点，将其应用在对可靠性 要求较高的矿井提升机系统中，无疑使其运行可靠 性得到提高。它有下述主要的特点：循环周期短、 处理速度快、模块化结构、ＣＰＵ模块和Ｉ／ｏ模块可 供选择、具有故障诊断功能等。 提升机保护功能如图２所示，这些保护功能需 要通过ＰＬＣ检测完成。监控设备先进与否在一定 程度上代表着设备的自动化水平。在老式的ＴＫＤ 图ｌ数字化矿井提升机结构框图 电控系统中，提升高度通过牌坊式深度指针来显 收稿日期：２０１１—１１—２７ 作者简介：许运华（１９７０一），河北新河人，邢台职业技术学院电气工程系，高级实验师． ８０ 邢台职业技术学院学报 ２０１２年 第１期 示，速度采用模拟仪表显示，要想得到精确的位置 信息，这些检测手段是远远不够的。随着科技的发 展，工况对提升机监控提出更高要求。基于Ｓ７．３ｏｏ 数字化电控系统能够在线测量容器在井筒中的位 置和运行速度，并在上位机监控装置上以数字和图 形的方式显示出来，检测出故障之后，在第一时间 Ｓｏｆｔ进行处理，对于严重故障，应进行安全停车，并将 — ｒｏａｄ 故障信息在操作台和上位机监控装置上显示出来， 网络化的提升系统还应将提升机运行参数通过高 速以太网上传到监控中心，便于分析故障，判断故 图３提升机软件安全回路 障，为故障处理提供依据。 Ｓ７．３Ｏ０ＰＬＣ控制系统 ：设备急停！： 超速 ； ：变频吸和ｉ：后备保护ｉ 堂 瓣 ：变频故障ｉ 松绳保护； ：闸瓦磨损！：回馈故障！ ：过卷保护！：油温过高ｉ ：主电源失压： ：编码器故障： ：制动油过压： 图２提升机监控保护结构框图 四、提升机双安全回路设计 矿井提升机是矿山企业重要地运输设备，工况 图４提升机硬件安全回路设计 对其运行可靠性提出了较高的要求。按照煤矿安全 五、提升机传动系统 检验规范规定，提升机控制系统中必须要有两条安 在提升机电气传动系统中，传统方法是采用转 全回路，一条为硬件安全回路，另一条为软件安全 子回路串电阻调速，此方法属于有级调速，启动时 回路。安全回路可防止提升机发生严重意外故障。 对电网冲击较大，在速度切换点存在速度跃变，容 当发生严重故障时，硬件安全回路断开，通过硬件 易发生掉道。在低速段，较多的能量消耗在调速电 电路使提升机过渡到安全状态。软件安全回路是通 阻上，电能损耗较大。 过Ｓ７．３００ＰＬＣ检测提升机的运行状态，故障时将 本文采用整流器和逆变器组合形式。整流器也 位于ＰＬＣ存储单元中相应的故障标志置位，由这 称为回馈单元，它的作用主要有两个方面，一是在 些故障标志组成的回路称为软件安全回路，软件安 负载提升过程中，将三相交流电源整流为直流电， 全回路的程序如图３所示。硬件安全回路和软件安 供给后级的逆变器，该过程能量从电源流向电机， 全回路闭锁，可提高整个系统运行的可靠性，硬件 此时电机处于电动状态。整流过程中可以使电网的 安全回路如图４所示。硬件安全回路是由提升机运 功率因数接近于１，对电网的谐波污染少，也称为 行的重要信号组成，因此这些重要信号采集的可靠 高功率因数整流器。二是在负载下放的过程中，负 性至关重要，关系到提升机能否正常开车，以及在 载使交流异步电机过渡到发电状态，从而能量从电 故障状态下能否安全停车。 机经逆变器，整流器回馈到电源侧，该整流器相对 传统的回馈单元来说，电流回馈质量好，可以起 节能目的。 逆变器将整流器输入的高压直流电转化为频 可调的交流电压，供给后级的电机，其控制方式 前主要有三种：ＶＦ控制、矢量控制、直接转矩 制。本文采用西门子逆变器对电机输出速度和力 进行调整，从而适应提升机运行工况的要求。 ８１ 邢台职业技术学院学报 ２０１２年 第１期 六、结束语 西门子ｓ７．３００ＰＬＣ应用在提升机电控系统中， 实现了整个行程的全数字化控制。主电路采用整流 器和逆变器组合形式，使整机运行效果大大提高， 节能效果显著，具有很好的使用和推广价值。 参考文献： 【１】李金金．基于ＰＬＣ控制的变频调速在矿井提升机 中的应用【Ｄ】．太原：太原理工大学，２００７． 【２】西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团。深入 浅出西门子Ｓ７．３００ＰＬＣ［Ｍ］．北京：北京航空航天大 学出版社，２００８． 【３】陈巍．基于ＰＬＣ在现代矿井提升机电控系统的应 用【Ｊ】．黑龙江科技信息，２０１０（２０）。 Ｆｕｌｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｎｅ Ｈｏｉｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ＸＵ Ｙｕｎ＝ｈｕａ，ＤＯＮＧ Ｙｏｎｇ—ｇａｎｇ，ＹＡＮＧ Ｃｕｉ－ｐｉｎｇ （Ｘｉｎｇｔａｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉｎｇｔａｉ，Ｈｅｂｅｉ ０５４０３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔｅｒ ｕｓｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｒｏｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｗｉｔｈ，ｌａｒｇｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｅｌｅｃｔｉｃ ｃｏｎｔｒｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ＴＫＤ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｈｉ ｇｈ ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｕｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｈ ｈｉｔ【曲ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｓｃｅｎｓｉｏｎ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｓｃｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｔｍａｃｈｉｎｅ，ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｎ ｍｉｎｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓ７－３００ＰＬＣ；ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔｅｒ （责任编辑张龙凯） （上接第６７页） 台机器的节能及极大功率的发挥是十分重要的。 参考文献： 【１】宋永刚．沥青路面圆形坑槽铣刨设备［Ｐ］．中国专利：２０１０１０１４７９４７，２０１０—０８－１８． ［２］￣Ｗｑｚ，胡永彪．铣刨机整机功率自适应匹配的研究［Ｊ】．筑路机械和施工机械化，２００２，１９（６）：８－９． 【３】焦生杰．工程机械机电液一体化【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２０００． Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｐｉｔ Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＣＨＥＮ Ｙｉ，ＳＯＮＧＹｏｎｇ－ｇａｎｇ，ＰＡＮＧ Ｂｉｎ （Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｍｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｈｅ ｔａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ ｉｓ ｎａｌａｙｚｅｄ，ａｎｄ ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｈｅ ｔｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｏｍａｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｎｇｉｎｅ （责任编辑张龙凯）