矿井提升机电气控制系统优化及改造

摘要：如今，中国的能源需求量越来越大，能源生产过程中的安全问题不可忽视。对矿井提升机原电气控制系统的改造已成为一种必然趋势，PLC技术的应用使提升机作业更加自动化、智能化。分析了矿井提升机结构及其电气控制系统，探讨了基于PLC的矿井提升机电气控制系统的优化改造。

关键词：PLC；矿井提升机；电气控制；系统改造

矿井提升机在煤矿生产过程中发挥着重要作用，其运行状态直接影响生产作业的安全性。但就目前而言，中国煤矿中使用的矿井提升机仍存在一系列弊端，尤其是其电气控制系统，对企业的经济效益和技术人员的生命安全都有着较大的影响[1]。基于PLC对原有的电气控制系统进行优化改进，可有效提升矿井提升机运行过程中的安全稳定性，延长设备使用寿命，这对中国的可持续发展起着推动性作用。

1矿井提升机结构及电气控制系统分析

1.1矿井提升机结构

矿井提升机是煤矿开采过程中的大型机电设备，其主要由控制部分和机械部分构成。可依据功能的差异将矿井提升机的零件分为测速系统、限速系统、制动系统、减速器等[2]。矿井中所用的提升机多种多样，根据结构及作用原理的差异可将其大致分为两类：缠绕式和摩擦式。以缠绕式矿井提升机为研究对象，其主要由主轴、、制动、自我保护、机械传动及电气控制等几部分构成。其中，主轴部分由主轴承和卷轴等组成，机械传动部分由减速器和联轴器等组成，制动系统由制动器和液压传动部分等组成。

1.2矿井提升机对电气控制系统的要求

当前社会对煤炭的需求量越来越大，对矿井提升机提出了更高的要求。首先要考虑的就是安全问题，一切作业都应以安全生产为前提，并且矿井提升机的电气控制系统也应符合一定的标准。通过式(1)对矿井提升机电气控制系统的运行状态进行动力学分析[3]：(1)式(1)中，Td为系统的动态扭矩，N·m；Te为电动机的扭矩，N·m；Tj为系统的静态扭矩，N·m；Tn为系统的飞轮力矩，N·m；n为提升次数；t为时间，s。结合矿井提升机在不同情况下的工作状态，对其电气控制系统也提出一些相应的要求[4]：a)矿井提升机工作中的加速度等相关参数应符合标准；b)矿井提升机的电气控制系统应能确保为提升机提供稳定安全的动力；c)矿井提升机电气控制系统应设置一定的速度区间，以便能适应不同的需求而稳定运行；d)矿井提升机应能根据不同的作业环境要求对其工作模式进行智能切换。

2矿井提升机电气控制系统优化改造的必要性

2.1传统矿井提升机电气控制系统的不足

传统的矿井提升机电气控制系统通过继电器实现控制，这种提升机的启动和速度调节是通过在电动机的电路上加上串联电阻实现。该电气控制系统存在较多弊端，如稳定性差、操作麻烦、易出故障、电耗大、生产效率低等，这些问题的存在严重阻碍着企业的可持续发展[5]。2.1.1可靠性稳定性差传统的矿井提升机电气控制系统由继电器、接触器等多个元器件所构成，这些元件的体积较大，在提升机内部占据了不小的空间，作业时会产生很大的噪声，同时还会产生很大的电耗。此外，这些老旧元件随着时间推移灵敏度变得很差，故障率较高，维修次数多，因此无法保障设备运行过程中的安全性。2.1.2罐笼停车时间不确定传统的矿井提升机电气控制系统的适用范围有一定的限制，其智能化程度较差，无法根据具体作业环境来切换不同的工作模式。尤其在作业时，提升笼的质量处于一个持续变化的状态，实际作业参数与预期参数相差较远，这也就导致了提升机罐笼停车时间无法确定。2.1.3不能保证精确度传统的矿井提升机电气控制系统的精确度较低，这主要是因为其是由磁放大器承担控制工作。2.1.4不能及时排查故障传统的矿井提升机电气控制系统相对来说故障率较高，并且故障的位置与原因无法直接获取，使故障无法得到及时排除，拖慢了煤矿企业的生产进度。2.1.5无法调速传统的矿井提升机电气控制系统无法对提升机运行速度进行控制，提升机运行时会产生很大的冲击力，存在一定的安全隐患。

2.2基于PLC的矿井提升机电气控制系统及其优势

近10年以来，计算机技术的发展促进了PLC技术的进步。将PLC应用到设备中具有智能化程度高、安全可靠等优点。PLC技术的发展使中国一些大型企业的生产效率得到了很大提升。在矿井提升机中，采用基于PLC的电气控制系统，利用软件驱动来取代继电器，能克服继电器稳定性差、适用性差等缺陷，实现技术上的优化。采用了PLC技术后，矿井提升机电气控制系统的安全性有了进一步的提升。且在系统主回路的优化中，设计由可控硅通过逐级切断电阻来控制设备的启停，优化后的系统表现出较好的节能效果。实际运行表明，该系统具有操作便捷、稳定性高等特点，可满足生产要求[6]。PLC技术利用软件对设备进行控制，可将复杂的控制线路整合起来，因此操作比较简单[7]。此外，PLC系统中也存在回路。可通过相关的保护装置对PLC系统中的回路进行保护。同时，若设备运行期间发生故障，系统能及时监测到数据并启动故障监测程序，判断故障的位置及原因，做出相关的处理指令，因此PLC技术的应用能很好地对设备进行维护，延长了设备的使用寿命。

3矿井提升机电气控制系统的优化改造

根据对传统的矿井提升机电气控制系统所存在问题的探讨，提出以下的优化改造方案。优化改造后的电气控制系统将原控制系统中除液压站之外的元件全部替换为数字化电气控制元件[8]。优化改造后的矿井提升机电气控制系统结构如图1所示。优化改造后的矿井提升机电气控制系统利用对逻辑电路的编程，可实现对电路的双重保护，具有故障报警与分析等功能。

3.1优化改造后电气控制系统的硬件设计

图2所示为根据矿井提升机电气控制系统的安装要求，对其进行的硬件配置。优化改造后的矿井提升机电气控制系统通过PLC技术实现自动化控制。在西曲煤矿中所选的PLC为三菱FX2N系列，设计了电气控制的一些硬件设备及I/O（Input/Output，输入/输出）接口。关键电路中的硬件设计如图3所示。

3.2改造后电气控制系统的软件设计

基于PLC的矿井提升机电气控制系统的软件设计主要分为现场总线、人机界面及PLC程序的设计。主要针对PLC程序的设计进行阐述。西曲煤矿适用的PLC软件名称为GX-Developer。改造优化后的电气控制系统提升了设备的适用性，可根据作业环境的改变自动切换工作模式。实际作业中，该电气控制系统可对设备运行状态进行实时监测，利用收集到的数据信息进行分析后，结合提升机相应的工作需求，发出下一步操作的指令。相应的电气控制流程如图4所示。根据图4所示流程，分别编制主控制机的软安全回路、主控机自动切换程序、主控机制动程序、主控机速度测量程序、主控机制动油过压程序的梯形图。

4优化改造后矿井提升机应用效果分析

将煤矿内的矿井提升机经过上述优化改造后进行了为期1a的试运行监测，其间提升机未出现任何问题，说明PLC电气控制系统能使提升机安全稳定运行，其可靠性提高，并且企业的经济效益也得到了有效提升。具体体现在：a)矿井提升机在应用了PLC电气控制系统之后适用性增强，能切换不同的工作模式，且不会产生大的电流冲击；b)应用了PLC电气控制系统的矿井提升机极大地减少了企业在人工成本上的投入，也提高了安全性和生产效率；c)相比于传统的电气控制系统，PLC电气控制系统能有效控制设备的能耗，达到节能的目的。

5结语

传统的矿井提升机电气控制系统基本上都是通过继电器来实现控制的，该系统一直存在的响应速度慢、控制精度差等弊端，使得矿井提升机的实际作业效果较差。为此，引入以PLC为基础的电气控制系统，不仅提高了煤矿生产的效率和精度，还使设备操控更加自动化、智能化，保障了设备的安全稳定运行。

参考文献：

［1］石磊，张洛平，王会良.PLC在TKD-A系列矿井提升机电控系统改造中的应用［J］.煤矿机械，2009，30(8)：153-155.

［2］杨波，王峰，刘自学.OPC技术在提升机远程监控系统中的应用［J］.煤矿机电，2009(3)：87-88.

［3］孔祥波，李严，周浩.浅谈矿井提升机电气传动系统［J］.今日科苑，2008(7)：132.

［4］姚书波.浅议我国矿井提升机电气传动系统的发展［J］.科技信息（科学教研），2007(19)：227.

［5］梁南丁.矿井提升机电控系统的技术改造［J］.矿山机械，2006，34(11)：74-76.

［6］沈立鹏.用双向晶闸管改造交流提升机的八段加速［J］.淮南职业技术学院学报，2006，6(3)：40-41.

［7］李铬，郝用兴.TKD-A系列矿井提升机电控系统的改造［J］.煤炭学报，2006，31(3)：386-390.

［8］岳朝柱，王德堂，王公华.提升机全数字化控制自动化系统的研制与应用［J］.山东煤炭科技，2005，23(3)：4-6.

作者：范金龙 单位：晋能控股煤业集团白洞矿业公司