摘要：兗州礦區(qū)針對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)及控制系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)對(duì)設(shè)備改造理論依據(jù)進(jìn)行研究與實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際表明，這些改造成果有效地節(jié)約了電能，保障提升機(jī)的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：煤礦；立井；提升機(jī)；電氣；控制

中圖分類號(hào)：TD63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1.引言

近幾年來，兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司成功地針對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)及控制方面存在問題進(jìn)行數(shù)字控制的研究與實(shí)施。煤礦現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行實(shí)際表明，兗州礦區(qū)的礦井提升機(jī)改造成果有效地節(jié)約了電能，保障了提升機(jī)的安全運(yùn)行。

2.鮑店煤礦主井北提升機(jī)電控系統(tǒng)升級(jí)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司鮑店煤礦運(yùn)用冗余技術(shù)、人—機(jī)工程學(xué)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想，采用目前先進(jìn)的可控硅變流器—電動(dòng)機(jī)直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)和全數(shù)字控制系統(tǒng)，對(duì)由直流發(fā)電機(jī)供電的原主井波蘭提升機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)全數(shù)字控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障自診斷等功能。通過此項(xiàng)改造，提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性、而且節(jié)約電能，滿足礦井發(fā)展的需要。

⑴原有狀況

鮑店煤礦主井北提升機(jī)是從波蘭引進(jìn)的產(chǎn)品，采用直流發(fā)電機(jī)組供電，電樞換向，勵(lì)磁機(jī)恒流勵(lì)磁。由于控制系統(tǒng)精度低、可靠性差，一直處在半自動(dòng)方式和手動(dòng)方式下運(yùn)行。隨著控制系統(tǒng)老化，故障更加頻繁。因此，他們決定將提升機(jī)的F—D直流拖動(dòng)系統(tǒng)改為KZ-D直流拖動(dòng)系統(tǒng)。

⑵改造內(nèi)容

在設(shè)備配套方面優(yōu)化設(shè)計(jì)各種配置，保留原有高壓供電系統(tǒng)，只對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，使其具有自動(dòng)控制功能；選用ABB公司低壓供電系統(tǒng)，便于自動(dòng)控制；選用ABB公司DCS600型12脈動(dòng)串聯(lián)可控硅直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，改造F—D機(jī)組；選用AC110可編程控制器實(shí)現(xiàn)提升機(jī)程序控制及過程控制；選用AHM110實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行過程監(jiān)控；選用FHF為井筒信號(hào)、通訊和控制系統(tǒng)；以AF100總線為通訊總線，設(shè)置相應(yīng)的站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)行設(shè)備的控制和監(jiān)視。新系統(tǒng)設(shè)置全自動(dòng)、手動(dòng)2種方式用于提升煤炭，提升速度全速12.8m/s，其中手動(dòng)方式0.1～12.8m/s可調(diào)。主繩、尾繩、井筒檢查3種方式限速≤0.5m/s。

⑶改造效果

①經(jīng)濟(jì)效益。精確的提升速度、行程控制及裝、卸載自動(dòng)化控制，極大縮短提升周期，采用全自動(dòng)方式下運(yùn)行的每個(gè)提升循環(huán)時(shí)間由原系統(tǒng)105s減少到90s以下，提升能力每年增加36萬t以上。提升系統(tǒng)運(yùn)行效率提高，節(jié)電效果明顯，年節(jié)電260.58萬kW·h。

②社會(huì)效益。由于淘汰2套同步發(fā)電機(jī)組及配套的各類電動(dòng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)，主井井塔現(xiàn)場(chǎng)噪聲大為降低，符合環(huán)保的要求。此外，由于設(shè)備性能可靠、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)先進(jìn)、故障指示準(zhǔn)確，減小故障判斷難度、簡(jiǎn)化故障處理過程、降低維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.鮑店煤礦主井南提升機(jī)電控系統(tǒng)升級(jí)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司鮑店煤礦在保持提升機(jī)電控系統(tǒng)控制原理及軟件邏輯關(guān)系不變的情況下，把主井南提升機(jī)的電控系統(tǒng)模塊由S5PLC升級(jí)為S7PLC，同時(shí)根據(jù)S7PLC的強(qiáng)大通訊功能優(yōu)化部分控制程序，提高了信號(hào)的傳輸速度。

⑴升級(jí)改造的必要性

鮑店煤礦對(duì)主井的南提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造以后,主控及裝卸載控制系統(tǒng)采用西門子S5PLC實(shí)現(xiàn)。根據(jù)西門子使用手冊(cè)及電氣元器件使用規(guī)律，7～8a為PLC及控制模塊的穩(wěn)定運(yùn)行期，過了穩(wěn)定運(yùn)行期以后則元器件特別是電容老化現(xiàn)象逐漸明顯，曾經(jīng)多次因模塊老化而影響生產(chǎn)；西門子公司目前已經(jīng)停止生產(chǎn)S5系統(tǒng)模塊，庫(kù)存產(chǎn)品價(jià)格過高，而且有的配件很難買到；STEP5編程繁瑣，并且必須用專用編程器才能查看，不利于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的掌握和對(duì)控制系統(tǒng)深層次的理解，STEP7編程為WINDOWS界面，在普通電腦上即可運(yùn)行，有利于提高維護(hù)水平；S5→S7升級(jí)改造費(fèi)用低，購(gòu)買3～4塊S5系統(tǒng)CPU948模塊花費(fèi)60～80萬元即可；改造以后能與副井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)相一致,作到備件、技術(shù)共享。

⑵升級(jí)改造

①改造前的主控系統(tǒng)。主要由S5-155U及其主機(jī)架、1個(gè)擴(kuò)展機(jī)架、4個(gè)ET200M分站及上位機(jī)組成。主PLC為CPU948，組態(tài)軟件為IN-TOUCH，主要完成提升機(jī)工藝控制及與SIMADYD閉環(huán)控制系統(tǒng)通訊，是提升機(jī)控制的主要環(huán)節(jié)。其中，包括軟件安全回路、高低壓控制、輔助設(shè)備控制等。此系統(tǒng)硬件在工業(yè)控制領(lǐng)域已被S7-400/300PLC取代，裝卸載控制系統(tǒng)安裝在主井塔的二樓卸載站，主PLC為S6-115U，主要完成裝卸載的工藝控制以及井筒信號(hào)的處理。155U與155U之間為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，155U與SIMADYD為TTY通訊方式。

②改造目標(biāo)。增加系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性；全面的報(bào)警功能；與副井提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源共享；關(guān)鍵部位通訊實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通訊；優(yōu)化裝卸載程序；實(shí)現(xiàn)提升機(jī)監(jiān)控信息的網(wǎng)上共享；更快的程序處理速度。

③改造內(nèi)容。在軟件方面保留原主控程序功能，對(duì)程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如，卸載系統(tǒng)中舌板設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，以前改造已將此裝備去掉，但是程序依然要檢測(cè)舌板位置，因此必須用其它位置開關(guān)代替。此次升級(jí)在保持裝卸載程序基本不變情況下，對(duì)裝卸載程序進(jìn)行整體優(yōu)化，去掉一些沒有意義的輸入點(diǎn)。此外，對(duì)主控系統(tǒng)和前連接方式等硬件回路也進(jìn)行了改造。

⑶改造效果

鮑店煤礦主井南提升機(jī)通過改造提高程序的運(yùn)行效率，極大減少電氣控制方面的故障率，以60萬元的較低代價(jià)解決硬件運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、模塊老化的問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.興隆莊煤礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)升級(jí)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司興隆莊煤礦擔(dān)負(fù)原煤提升任務(wù)的主井2臺(tái)提升機(jī)均為從瑞典引進(jìn)的20世紀(jì)70年代產(chǎn)品，電控系統(tǒng)所屬配件原廠家目前已不再生產(chǎn)，備件缺乏，嚴(yán)重影響生產(chǎn)正常運(yùn)行。他們成功地對(duì)2臺(tái)提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，為國(guó)內(nèi)其它煤礦同類型提升機(jī)的改造提供了有效的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

⑴提升機(jī)電控系統(tǒng)存在主要問題

機(jī)械傳動(dòng)式水平監(jiān)控器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪傳動(dòng)，磨損嚴(yán)重、控制誤差大、故障頻繁，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品難以配套；操縱控制系統(tǒng)為繼電器程序控制，每臺(tái)提升機(jī)有繼電器400多個(gè)，接點(diǎn)多、接線復(fù)雜、維護(hù)工作量大、故障率高，大部分繼電器均已超過其使用壽命，進(jìn)貨渠道不暢、價(jià)格昂貴；可控硅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為模擬控制，控制插件多、控制精度較低、調(diào)試?yán)щy，可控硅容量低，難以適應(yīng)增加提升能力需要；保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)落后，精度、響應(yīng)速度和可靠性都不適應(yīng)運(yùn)行要求，液壓站制動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)無有效監(jiān)測(cè)、溫度保護(hù)無精確顯示、速度保護(hù)誤差大，安全保護(hù)不完善；司機(jī)操縱臺(tái)操作方式落后、運(yùn)行狀態(tài)指示不完善，指針式提升深度指示誤差大，不利于安全操作監(jiān)視。

⑵提升機(jī)電控系統(tǒng)改造

①方案設(shè)計(jì)。首先由礦方自行設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)的改造總體方案，主要配置采用國(guó)際招標(biāo)引進(jìn)的方法，要求新的電控系統(tǒng)整體性能達(dá)到當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平，改造以后具備以下功能：整個(gè)系統(tǒng)為全數(shù)字化控制；可方便進(jìn)行各種方式操作、運(yùn)行參數(shù)整定調(diào)整及保護(hù)試驗(yàn)；監(jiān)測(cè)功能齊全，提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)和故障等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制、顯示與記錄，人—機(jī)界面友好；保護(hù)完善，具有故障自診斷測(cè)試功能；運(yùn)行可靠，控制精度高，提升效率高，維護(hù)工作量小。

②改造范圍。包括繼電器控制系統(tǒng)、可控硅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、司機(jī)操作臺(tái)、水平監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)及液壓站6個(gè)部分，保留設(shè)備為主電動(dòng)機(jī)、整流變壓器、高壓開關(guān)柜及裝卸載系統(tǒng)4個(gè)部分。國(guó)內(nèi)配置的設(shè)備有稱重系統(tǒng)、低壓配電柜、動(dòng)力電纜及部分控制電纜。改造后的系統(tǒng)主要配置如下：控制系統(tǒng)選用ABBAdvantOcs（AC110）開放式控制系統(tǒng)，這是一個(gè)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的用于邏輯及調(diào)節(jié)控制、具備通訊功能的模塊化控制器；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用ABBDCS600傳動(dòng)系統(tǒng)變流器，用于驅(qū)動(dòng)和控制直流主電動(dòng)機(jī)；AHM110數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)提升機(jī)進(jìn)行精確監(jiān)視和安全保護(hù)的設(shè)備；人—機(jī)通訊系統(tǒng)選用DESKPRO型計(jì)算機(jī)作為視頻設(shè)備。

⑶改造效果

興隆莊煤礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)改造項(xiàng)目的不停產(chǎn)成功實(shí)施，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，經(jīng)過改造的提升機(jī)運(yùn)行時(shí)間比原系統(tǒng)縮短3s；全年增加提升能力50萬t以上，年節(jié)約電能60萬kW·h以上，年增效益1000多萬元。改造后的提升機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，控制精度、運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性大幅度提高。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量的提高，為今后提升增噸改造提供保障。

5.北宿煤礦副井提升機(jī)電控系統(tǒng)升級(jí)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司北宿煤礦二號(hào)副暗斜井提升機(jī)原來為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的TKD系統(tǒng)，信號(hào)部分經(jīng)過技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)PLC控制。此后，他們?cè)诖嘶A(chǔ)上再次對(duì)信號(hào)部分進(jìn)行技術(shù)改造，系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用先進(jìn)可靠的交—直—交變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙PLC控制和雙安全回路，具有節(jié)能、高效、高產(chǎn)、高可靠性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

⑴原先存在的問題

北宿煤礦二號(hào)副斜井提升機(jī)為2JKB-2×1.25型；電動(dòng)機(jī)功率160kW；電動(dòng)機(jī)定子電壓660V；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速743r/min；減速機(jī)速比20：1；鋼絲繩直徑21.5mm。

此提升機(jī)原為交流繞線式電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)采用繼電器有觸點(diǎn)的邏輯控制,以切換串入交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻來達(dá)到調(diào)速目的，屬于有級(jí)調(diào)速，線性度差，調(diào)節(jié)精度很難保證。北宿煤礦的這套系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，交流接觸器的主觸頭容易氧化而引發(fā)設(shè)備故障；提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差；提升機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生的功耗較大。

⑵控制系統(tǒng)技術(shù)改造

他們采用PLC邏輯替代繼電器邏輯，電子線路替代磁放大器，對(duì)可調(diào)閘和動(dòng)力制動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，主令控制器用簡(jiǎn)單的接點(diǎn)耦合替代，速度信號(hào)采用電子線路處理，變頻器調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒加速、恒減速控制以及電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，驅(qū)除轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗。

⑶提升機(jī)行程控制

他們根據(jù)提升機(jī)的升降位置實(shí)施控制，利用深度指示器將行程位置轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，通過變頻器的控制端實(shí)現(xiàn)多段速度變頻控制、停車控制和制動(dòng)控制。行程控制分為正向提升過程和反向下降過程，主要是將提升機(jī)的升降過程劃分為不同的行程區(qū)間，根據(jù)每個(gè)行程區(qū)間的實(shí)際情況采用不同的變頻調(diào)速控制提升機(jī)的升降速度。行程控制不僅控制提升機(jī)整個(gè)升降行程過程的變頻調(diào)速，而且控制提升機(jī)的停車和制動(dòng)過程，很好地防止提升機(jī)過卷、掉道等事故。

⑷應(yīng)用效果

北宿煤礦二號(hào)副斜井提升機(jī)的改造應(yīng)用實(shí)踐表明：原先的繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速技術(shù)在電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低消耗的轉(zhuǎn)差功率越大；采用變頻調(diào)速是1種不耗能的高效調(diào)速方式，提升機(jī)的絕大部分時(shí)間都處于電動(dòng)狀態(tài)，節(jié)能效果十分顯著。；而且，提升機(jī)變頻調(diào)速使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性都得到提高，減少運(yùn)行故障和停工工時(shí)，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。

6.濟(jì)寧二號(hào)煤礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)升級(jí)

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦對(duì)礦井提升機(jī)交交變頻矢量控制系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造后，在保留原控制系統(tǒng)的同時(shí)新增1套控制系統(tǒng)，達(dá)到2套電控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立且相互切換、互為備用的目的，提高礦井提升機(jī)安全運(yùn)行的可靠性。

⑴礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)原先狀況

該礦主井提升系統(tǒng)配置1套從德國(guó)西瑪格公司引進(jìn)的、電控系統(tǒng)為德國(guó)西門子公司基于S5-PLC和16位SIMADYN-D交交變頻矢量控制的調(diào)速控制系統(tǒng)。主電機(jī)為西門子生產(chǎn)的5400kW的雙繞組同步電動(dòng)機(jī)，主摩擦滾筒和制動(dòng)控制液壓站由西瑪格公司提供，制動(dòng)控制系統(tǒng)為西門子S5-115U可編程控制器和制動(dòng)控制板等組。由于原控制調(diào)速系統(tǒng)元器件老化、備件供應(yīng)困難、維護(hù)成本高，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，需對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造。

⑵礦井提升機(jī)交交變頻電控系統(tǒng)改造

他們根據(jù)礦井提升機(jī)工藝和控制要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，保留原系統(tǒng)可控硅功率單元、高壓配電單元、閘控系統(tǒng)等，新增加的交交變頻電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主控PLCS7-400系統(tǒng)、SIMADYN-D全數(shù)字礦井提升機(jī)工藝控制監(jiān)控系統(tǒng)、SIMADYN-D全數(shù)字交交變頻矢量控制系統(tǒng)、新操作臺(tái)、故障監(jiān)視與顯示系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和新增的裝卸栽控制系統(tǒng)七個(gè)部分組成。

①主控PLCS7-400系統(tǒng)。根據(jù)提升工藝信號(hào)，提供提升機(jī)運(yùn)行的計(jì)算、分析、運(yùn)行和控制信號(hào)；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的各種監(jiān)視與監(jiān)控任務(wù)；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)、故障分析與故障監(jiān)控；向SIMADYN-D交交變頻矢量控制系統(tǒng)提供給定信號(hào)和運(yùn)行控制信號(hào)；想監(jiān)視與顯示系統(tǒng)提供故障信息和系統(tǒng)運(yùn)行信息；向操作臺(tái)提供系統(tǒng)運(yùn)行信息。

②全數(shù)字提升機(jī)工藝控制監(jiān)控系統(tǒng)。礦井提升機(jī)工藝上是在2個(gè)定點(diǎn)之間運(yùn)行，控制系統(tǒng)最終的控制效果體現(xiàn)在對(duì)位置（行程）的控制上。提升機(jī)的安全性也要求電控系統(tǒng)具有優(yōu)良、安全可靠的行程控制功能。另外，完善的提升機(jī)電控系統(tǒng)必須具有監(jiān)控功能，監(jiān)測(cè)提升機(jī)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)檢測(cè)到并且作出處理，對(duì)于重要運(yùn)行狀態(tài)還需要進(jìn)行冗余監(jiān)視。提升機(jī)工藝控制系統(tǒng)采用雙通道冗余的SIMADYN-D控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的工藝控制，2套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行實(shí)現(xiàn)冗余控制，包括提升機(jī)行程控制及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。主要實(shí)現(xiàn)以下控制功能：根據(jù)行程信號(hào)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字行程控制；根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)交交變頻矢量控制系統(tǒng)的信號(hào)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控；根據(jù)主軸編碼器和導(dǎo)向輪編碼器信號(hào)以及測(cè)速發(fā)電機(jī)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，如逐點(diǎn)速度監(jiān)視、速度互相監(jiān)視、連續(xù)速度監(jiān)視、行程互相監(jiān)視、滑繩監(jiān)視、錯(cuò)向監(jiān)視及在監(jiān)視系統(tǒng)軟件中設(shè)定井筒開關(guān)監(jiān)視、過卷監(jiān)視、失勵(lì)監(jiān)視、最大減速度監(jiān)視可控硅整流橋監(jiān)視、停車零電流監(jiān)視及給定值—實(shí)際值監(jiān)視等。

⑶改造效果

自從新的電控系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，濟(jì)寧二號(hào)煤礦主井提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，解決了原先提升機(jī)電控系統(tǒng)上電難、復(fù)位難、同步難的問題以及監(jiān)控系統(tǒng)信息量少而且不直觀的問題，從根本上解決了原系統(tǒng)備件供應(yīng)困難的問題，真正做到新老系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立而且相互備用，提高礦井提升機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全實(shí)現(xiàn)1臺(tái)提升機(jī)2套電控系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

7.楊村煤礦副井提升機(jī)全數(shù)字化控制

兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司楊村煤礦的副井提升機(jī)原先配置交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的TKD系統(tǒng)，采用繼電器有觸點(diǎn)的邏輯控制，以磁放大器為核心組成的模擬量可調(diào)閘閉環(huán)調(diào)節(jié)，靠切換串入交流電機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻來達(dá)到調(diào)速的目的，調(diào)節(jié)精度很難保證，穩(wěn)定性和線性度差，而且設(shè)備老化已經(jīng)影響礦井的安全生產(chǎn)。為此，他們對(duì)其進(jìn)行改造，并在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的支持下研制出提升機(jī)全數(shù)字化控制自動(dòng)化系統(tǒng)。

⑴控制系統(tǒng)技術(shù)改造范圍

PLC應(yīng)用在交流提升機(jī)的改造上，主要表現(xiàn)在：采用PLC邏輯替代了繼電器邏輯；采用電子線路替代磁放大器，對(duì)可調(diào)閘和動(dòng)力制動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；主令控制器用簡(jiǎn)單的接點(diǎn)耦合替代；速度信號(hào)采用電子線路處理。引入這些技術(shù)后，在一定程度上改善了提升機(jī)的性能，但是也存在一些問題：外圍硬件過多，沒有充分發(fā)揮PLC軟件的功能，裝置容易出現(xiàn)故障和產(chǎn)生不穩(wěn)定；簡(jiǎn)單耦合的主令控制器可靠性差，容易造成開車控制上的重大錯(cuò)誤；對(duì)速度檢測(cè)增加中間有源環(huán)節(jié)，容易造成速度監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤；減速點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置太少，留有隱患；沒有良好的調(diào)節(jié)控制程序，調(diào)速性能不理想。礦井提升機(jī)直流拖動(dòng)與交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)相比，調(diào)速性能好、不需要附加其它拖動(dòng)裝置、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。此項(xiàng)改造的內(nèi)容是去掉TKD電控系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)和信號(hào)操車設(shè)備等，改為新型直流調(diào)速自動(dòng)化系統(tǒng)，主要包括開發(fā)1套由高壓開關(guān)柜、整流變壓器、電樞整流柜、司機(jī)控制臺(tái)、PLC柜、低壓配電柜和上位監(jiān)視機(jī)等組成的全數(shù)字自動(dòng)化副井提升電控系統(tǒng)，使用直流電動(dòng)機(jī)，更換1套PLC控制信號(hào)操車設(shè)備。

⑵提升機(jī)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

①動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。6kV來自礦井35kV變電所2路進(jìn)線，手動(dòng)切換。提升機(jī)房放置1臺(tái)6kV高壓柜。高壓柜采用真空斷路器，設(shè)有速斷、過流、欠壓、失壓跳閘等保護(hù)功能。2路380V進(jìn)線作為低壓供電回路，手動(dòng)投切。低壓配電柜設(shè)置多路輸出，擔(dān)負(fù)提升機(jī)電控系統(tǒng)及信號(hào)系統(tǒng)的供電。

②驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。提升機(jī)房設(shè)1臺(tái)整流變壓器，直流電動(dòng)機(jī)主回路為1臺(tái)主整流柜，內(nèi)置1臺(tái)SIEMENS6RA70整流裝置。直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路采用晶閘管6脈動(dòng)供電，電樞換向。6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器為全數(shù)字緊湊型整流器，輸入三相電源為變速直流驅(qū)動(dòng)提供電樞和勵(lì)磁供電，穩(wěn)定電樞電流15～2000A。開環(huán)和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制及通訊功能由2臺(tái)功能強(qiáng)大的微處理器實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)控制功能可以通過參數(shù)將軟件提供的程序塊連接來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)提升機(jī)行程控制的要求，由PLC完成系統(tǒng)速度曲線與保護(hù)曲線運(yùn)算，綜合成為速度的給定輸出。

③提升機(jī)控制系統(tǒng)。操作臺(tái)設(shè)置2個(gè)手柄，分別用于速度給定及制動(dòng)閘給定。控制臺(tái)顯示盤設(shè)置主要狀態(tài)顯示燈、主要故障顯示燈、圓盤式深度指示器和數(shù)字深度指示器、電樞電壓和電流顯示儀表等。

⑶改造效果

應(yīng)用實(shí)踐表明：電路均采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，故障點(diǎn)少、可靠性高；硬件采用以總線聯(lián)系的模塊化結(jié)構(gòu)，控制算法和系統(tǒng)控制利用軟件完成具有可構(gòu)置性，可以進(jìn)行功能擴(kuò)展；硬件工作狀態(tài)通過軟件反映，軟件運(yùn)行情況通過硬件監(jiān)視，軟硬件故障均可通過指示直接反映出來，維護(hù)方便；設(shè)有微處理器，整個(gè)控制功能與調(diào)速算法均由軟件完成，控制精度高，穩(wěn)定性好；全數(shù)字控制直流拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行效率高、無功能耗低、節(jié)約大量電能、減少維護(hù)費(fèi)用；系統(tǒng)能夠產(chǎn)生S形曲線，減少對(duì)系統(tǒng)沖擊，保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的平滑性；容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊，并與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，將系統(tǒng)中的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)傳遞到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理。

8.南屯煤礦新型全數(shù)字直流調(diào)速提升機(jī)電控

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS研制的TS3A型全數(shù)字化礦井直流調(diào)速提升機(jī)電控系統(tǒng)，使提升機(jī)電控系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制。在南屯煤礦主井提升機(jī)的幾年運(yùn)行結(jié)果表明，此系統(tǒng)可靠性好，具有費(fèi)用低、周期短、易于維護(hù)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，我國(guó)煤炭、冶金等行業(yè)裝備的礦井提升機(jī)大多使用模擬控制，其主控系統(tǒng)采用繼電器控制，觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、故障率高、維護(hù)困難；驅(qū)動(dòng)控制采用模擬電路，精度低、穩(wěn)定性差、響應(yīng)速度慢、調(diào)試?yán)щy；保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等的信號(hào)采集采用機(jī)械傳動(dòng)、分離元件處理，無自修正及智能診斷等功能，速度慢、誤差大、準(zhǔn)確程度低，不利于安全運(yùn)行。隨著先進(jìn)采礦技術(shù)的使用，礦井生產(chǎn)能力極大提高，老礦井提升機(jī)原設(shè)計(jì)提升能力的瓶頸制約作用愈顯突出，電控系統(tǒng)的數(shù)字化改造明顯縮短原系統(tǒng)的提升循環(huán)時(shí)間，增加設(shè)備的可靠性。

⑴電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新研制的TS3A型礦井全數(shù)字化直流調(diào)速電控系統(tǒng)是由PROFIBUS工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化組成的。其主要部分包括主控系統(tǒng)S7-400；監(jiān)控系統(tǒng)S7-300；上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)；電樞12脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；勵(lì)磁6脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；含有遠(yuǎn)程監(jiān)視站ET200M的低壓配電系統(tǒng)和小巧方便的操作控制臺(tái)；還有高壓配電系統(tǒng)、變壓器、電抗器、直流快速斷路器和測(cè)速環(huán)節(jié)等。整個(gè)電控系統(tǒng)由3條PROFIBUS工業(yè)總線和點(diǎn)到點(diǎn)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和控制。

操作臺(tái)顯示部分有高壓通、直流通、輔助通、提升機(jī)可運(yùn)行、同步信號(hào)、警告、安全回路、旁路保護(hù)、A斗、B斗、緊停、變流跳、輔助跳、變流1故障、變流2故障、勵(lì)磁故障、裝卸載故障、計(jì)算機(jī)故障、備用等。

⑵電控系統(tǒng)功能

①全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。采用2套PLC。其中，1套PLC主要功能是執(zhí)行操作程序，并實(shí)現(xiàn)各種故障保護(hù)及閉鎖。來自系統(tǒng)各部分的信號(hào)經(jīng)過隔離直接引入到PLC中，PLC將其處理后分為操作、控制、顯示、制動(dòng)、故障和報(bào)警，送監(jiān)視器顯示故障類型，控制聲光報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警并施閘。系統(tǒng)的安全回路有3套，分別由主控PLC、監(jiān)控PLC和繼電器直動(dòng)回路組成。系統(tǒng)的主要保護(hù)有過卷、等速段超速、減速段超速、全程過速、同步超限、裝卸載故障、緊停等。狀態(tài)的主要保護(hù)有電動(dòng)機(jī)超溫保護(hù)、主回路故障、高壓柜故障跳閘、變壓器故障跳閘、快開跳閘、緊急停車、勵(lì)磁故障、操作程序故障、低壓電源系統(tǒng)故障、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障等。另一套PLC把1個(gè)軸編碼器和井筒開關(guān)配合完成行程監(jiān)控。這種以軟件處理為主的行程跟蹤方法在靈活性、可靠性及精度等方面都很高，只要選擇分辨率較高的軸編碼器就可以保證定位精度在20mm之內(nèi)。由于打滑與鋼絲繩伸長(zhǎng)等行程誤差可通過井筒同步開關(guān)予以校正。PLC還將部分操作信號(hào)、軸編碼器信號(hào)、保護(hù)信號(hào)及行程參數(shù)結(jié)合起來進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，自動(dòng)產(chǎn)生提升機(jī)所需要的速度給定信號(hào)。

②模塊化的數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。全數(shù)字調(diào)節(jié)部分采用西門子SIMOREG6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置，用于可調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)電樞和勵(lì)磁供電。三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量或者模擬量，所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及附加功能都由雙微處理器實(shí)現(xiàn)。其主要功能是調(diào)節(jié)部分完成電樞回路和勵(lì)磁回路的調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)電樞回路和磁場(chǎng)回路的各種監(jiān)控與診斷。

⑶調(diào)試及運(yùn)行

調(diào)試過程如下：出廠前的廠內(nèi)器件檢驗(yàn)、查線及各柜（臺(tái)）的通電試驗(yàn)與檢驗(yàn)；在現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢之后的高低壓通電聯(lián)調(diào)，利用小電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直流12脈動(dòng)和部分環(huán)節(jié)的調(diào)試；操作臺(tái)和3臺(tái)安裝完畢后的各個(gè)控制環(huán)節(jié)全面調(diào)試，利用現(xiàn)場(chǎng)原有電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試；更換新的主電動(dòng)機(jī)后的通電試運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試。

9.結(jié)束語(yǔ)

礦井提升機(jī)是礦山企業(yè)的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，對(duì)礦井的生產(chǎn)及安全起著非常重要的作用。由于提升機(jī)的生產(chǎn)工藝要求比較高，其電氣傳動(dòng)及控制一直是世界各國(guó)電氣傳動(dòng)界的重要研究領(lǐng)域。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的礦井提升機(jī)電控技術(shù)已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，而我國(guó)絕大多礦井的提升機(jī)電控系統(tǒng)還是交流串阻調(diào)速繼電器—接觸器控制，效率低下、安全隱患多，嚴(yán)重制約著礦山產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，急需大規(guī)模的技術(shù)改造和更新，應(yīng)當(dāng)從多方面切實(shí)給予相當(dāng)?shù)闹匾暋贾莸V區(qū)對(duì)于礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)及控制方面數(shù)字控制升級(jí)改造的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也為國(guó)內(nèi)其它礦區(qū)提供了可供參考的有益經(jīng)驗(yàn)。

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