矿山提升机自动化控制系统改造的必要性

摘要:提升机俗称卷扬,是矿山最重要的设备,担负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统矿井提升机电控系统采用绕线式转子串电阻调速,控制线路复杂、调速性能较差、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点，对操作工的要求比较高。因此矿井提升机控制系统进行自动化换代有重要意义。

我公司近几年对传统串电阻式提升机进行自动化改造,实际运行结果表明,该系统运行可靠、安全性高、控制灵活、节能显著,控制性能明显优于传统的串电阻式控制系统,提高了矿井提升系统的自动化水平。但同时对后期维护人员的素质要求也有了较高的要求。

关键词：提升机串电阻式调速PLC变频器日常维护

中图分类号： TD534 文献标识码： A

传统矿井提升机电气控制系统

在矿山生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。改造前我公司的矿井提升机都是采用传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速。（如图）。

传统交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。

现在的矿山开采深度每年都在增加，通常都是通过好几级盲井进行中转提升，而在这过程中但凡某一级提升机出现问题，都会对生产造成直接的影响。因为矿山生产是连续性作业性质的，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。因此，设备的安全可靠运行就显的特别重要。以前的电控系统存在着很多的不足，矿用提升机的技术改造要求十分必要。

1、目前矿用提升机控制系统普遍采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，该系统存在以下缺点：

（1） 大量电能消耗在电阻上，能源浪费严重，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。

（2） 控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷轻易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。

（3） 低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。

（4） 启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低。

（5） 自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。

（6） 低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。

PLC自动化控制提升机电控系统

随着微机技术的发展，PLC控制技术已逐步应用于矿井提升机中。我们公司经过对旧有串电阻继电器控制系统改为PLC自动化控制后在实际生产过程中的对比可以看出PLC自动化控制系统应用的先进性主要体现在以下几个方面：

1、提升过程PLC控制

在卷扬机工作时提升过程大都采用PLC控制，由于PLC功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实施，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。下面是我们采用的提升机PLC自动控制系统构成图：

主控系统，操作台，上位机，监控系统，变频器以及各中段信号控制箱都采用自动化控制，用网络交换机进行连接，对数据进行实时采集交换，大大减少了故障率和误操作的发生。

提升行程控制

提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容量在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2厘米。

采用PLC控制，可通过采集各种传感信号，如停车位置感应、钢丝绳松绳检测、滚筒及配重速度比较检测等。将信号进行处理而对提升机系统实施精确控制和保护。

提升过程监视

由于自动化控制系统的提升机设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机的重要环节。提升过程采用PLC系统主要完成如下参数的监视：

（1）提升过程中各工况参数监视；

（2）各主要设备运行状态监视；

各传感器信号的监视。

通过对以上参数的监视使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留，同时可以在上位机上实时显示，以便对故障进行排查。

安全回路

安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，此环节极为重要。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。

(A)

(B)

(C)

安全回路是保护的最后环节之一，我们采用的是软硬双安全回路,上图（A）为过卷部分硬件安全回路；(B)为变频器及各种急停故障安全回路，+SM为监控器安全回路，监控器（一共有两台监控器）内对系统的大部分运行参数进行实时监测，有故障时输出信号使相应的安全回路断开；(C)是硬件安全回路和软件安全回路输入点，把硬件安全回路和软件安全回路的动作信息反馈到PLC中，以便PLC对系统进行控制；所有的设定使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。

变频器在矿山提升机的应用

变频调速已被公认为是最理想最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高生产率、提高设备自动化程度的要求；二是为了节约能源、降低生产成本。

转子串电阻调速，用交流接触器或者可控硅进行电阻切除从而达到调速的目的，这样的调速方式在启动、换挡时会产生较大的冲击电流，大量的电能消耗在电阻上，造成能源的极大浪费，并且在减速与低速爬行过程中主要依靠工作闸来控制，对闸瓦的磨损比较严重，需要经常更换，增加了维护费用，同时提升系统的安全性也受到了很大影响。由于变频器具有软启动、软停止功能，对闸瓦的磨损比较小，加减速平稳，安全性高，且四象限运行节能效果显著等优点，符合国家节能政策，因此采用变频调速为最佳方案。

变频器控制对比传统串电阻调速方式在实际生产应用中的优点:

1、调速精度

转子串电阻调速是用交流接触器或者可控硅进行电阻切除从而达到调速的目的，属于有极调速，这种调速方法就决定了它不可能有高的调速精度。

变频调速是通过改变电机的工作频率，从而改变电机的转速，属于无极调速，具有很高的调速精度。

2、对系统的影响

转子串电阻调速在启动、换挡时会产生较大的冲击电流，这种冲击无论是对电机还是对电控设备都会有很大的影响。其调速属有级调速，稳定性差，启动瞬间对电机、减速机，滚筒冲击较大，降低系统使用寿命；

变频器自身的软启动功能及平稳无级调速功能，决定了系统机械冲击大大减小，电机、减速机，滚筒、箕斗运行的轨道等等受到的冲击均降到最低，延长设备的使用寿命。

3、加减速过程

转子串电阻调速系统，其机械特性较软，转子逐级切换，其加速时间不能过快，另外，减速时其降速时间完全取决于系统的机械特性，降速时间不可调。加减速过程属于有级调速，在调速时是一级一级往上加速或往下减速，就像是上楼梯；

变频器属无级调速系统，调速运行时，电机运行平稳，无脉动感，系统稳定性好，就像是坐电梯。

4、节能效果

转子串电阻调速需要将大量的电能消耗在电阻上才能达到减速的目的，造成电能的极大浪费；

变频器自身效率高，具有自动功率因数补偿功能，网侧功率因数接近1，且属高性能调速系统，能量损耗小，在系统降速阶段，可将一部分势能转化为电能回馈至电网，节能效果明显。

提升机在下放和制动时，依靠能量回馈装置，将势能转化为电能回馈电网，同时产生反力矩，达到快速减速的目的，快速性好。

5、维护费用

由于转子串电阻调速没有较高的调速精度，从而在减速时需要依靠磨闸皮来减速，对闸皮的磨损非常严重；串电阻调速系统由操作台、换向柜、动力制动柜、加速柜、大量电阻组成，结构复杂导致故障率较高；串电阻调速通过切换电阻来调速，从而导致接触器或可控硅需要频繁动作，触头打火严重，需要经常更换；

变频器自身结构紧凑，机械器件很少，上面这些问题都不再存在。

6、控制线路

转子串电阻调速需要用到大量的接触器和继电器，硬件环节非常复杂，一旦出现故障，查找故障点很困难；

变频调速应用了先进的变频器，从而减少了大量的硬件环节，控制回路非常简单，故障率很低，维护起来也比较方便。

四、总结

本文主要是针对矿井提升机调速电控系统，采用传统的交流绕线式电机串电阻调速当中存在的提升机调速性能差、故障率高、能耗大等问题进行分析并在换代后实际生产应用中PLC控制和变频器系统对比传统串电阻式提升机系统的对比得出结论。借助于现已成熟的变频调速技术，并且结合可控制编程器的强大控制功能，应用于矿井提升机电控系统中，能够改善矿井提升机电控系统性能，大大提高矿山的生产能力。通过技术改造，虽然对维护人员有了较高的要求，但同时压力就是动力，使我们技术人员充分认识到自己的不足，促使自己不断的学习，不断的进步。

参考文献：董有祥 PLC变频控制技术在矿井提升机控制系统中的应用[J],2011.12

蒋小平 马勇，变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用[J],2009.4

刘瑞虎，基于PLC的矿井提升机变频控制系统研究与应用[D],西安科技大学，