基于PLC与变频器的矿井提升机的自动控制系统梯形图实例

    一、概况

    矿井提升机是煤矿、有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。某煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用提升机将煤车拖到地面上来。煤车厢与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有一绞车提升机，由电动机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周，其两端分别挂上一列煤车车厢，在电动机的驱动下将装满煤的一列车从斜井拖上来，同时把一列空车从斜井放下去，空车起着平衡负载的作用，任何时候总有一列重车上行，不会出现空行程，电动机总是处于电动状态。这种拖动系统要求电动机频繁的正、反转启动，减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。斜井提升机的机械结构示意如图13 -3所示。斜井提升机的动力由绕线式电动机提供，采用转子串电阻调速。提升机的基本参数是：电动机功率55kW，卷简直径1200mm，减速器减速比为24：1，最高运行速度2.5m／s，钢丝绳长度为120m。

    图13-3    提升机卷筒机械传动系统结构示意图

    目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电动机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器一交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触点易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的启动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗。这种交流绕线式电动机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软；电阻上消耗的转差功率大，节能较差；启动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行振动大，安全性较差。

    二、改造方案

    为克服传统交流绕线式电动机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造提升机，可以实现全频率(0～50Hz)范围内的恒转矩控制。对再生能量的处理，可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案。为安全性考虑，液压机械制动需要保留，并在设计过程中对液压机械制动和变频器的制动加以整合。矿井提升机变频调速方案如图13 -4所示。

    考虑到绕线式电动机比笼型电动机的力矩大，且过载能力强，所以仍用原来的4极55kW绕线式电动机，在用变频器驱动时需将转子三根引出线短接。提升机在运行过程中，井下和井口必须用信号进行联络，信号未经确认，提升机不运行。

    图13-4    矿井提升机变频调速方案

    三、方案实施

    斜井提升负载是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电动机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，启动时还要克服一定的静摩擦力矩，电动机处于电动工作状态。在重车减速时，虽然重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电动机仍会处于再生状态。当另一列重车上行时，电动机处于反向电动状态。另外，有占总运行时间10%的时候单独运送工具或器材到井下时，此时电动机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。用能耗制动方式必将消耗大量的电能；用回馈制动方式，可节省这部分电能。但是，回馈制动单元的价格较高，考虑到单独运送工具或器材到井下仅占总运行时间的10%，为此选用价格低廉的能耗制动单元加能耗电阻的制动方案。

    提升机的负载特性为恒转矩位能负载，启动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，因此，选用三菱75kW变频器。由于提升机电动机绝大部分时间都处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，变频器接入一制动单元和制动电阻，就可以满足重车下行时的再生制动，实现平稳的下行。井口还有一个液压机械制动器，类似电磁抱闸，此制动器用于重车静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有液压机械制动器制动。液压机械制动器受PLC和变频器共同控制，机械制动是否制动受变频器频率到达端口的控制，启动时当变频器的输出频率达到设定值，如1Hz时，变频器SU、SE端口输出信号，表示电动机转矩已足够大，打开液压机械制动器，重车可上行；减速过程中，当变频器的频率下降到1Hz时，表示电动机转矩已较小，液压机械制动器制动停车。紧急情况时，按下紧急停车按钮，变频器能耗制动和液压机械制动器同时起作用，使提升机在尽量短的时间内停车。

    提升机传统的操作方式为，操作工人坐在煤矿井口操作台前，手握操纵杆控制电动机正、反转和三挡速度。为适应操作工人这种操作方式，变频器采用多段速度设置，STF、STR控制正反转，RH、RM、RL为三段速度。变频调速接线图如图13 -5所示。

    图13-5    PLC、变频调速接线图

    四、提升机工作过程

    提升机经过变频调速改造后，操纵杆控制电动机正反转三段速度。不管电动机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电动机工作在正转和反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动，提升机工作时序图如图13-6所示。

    图13 -6    提升机工作时序图

    图13 -6中，提升机无论正转、反转，其工作过程是相同的，都有启动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等7个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。图中各个阶段的工作情况说明如下：

    (1)第一阶段0～t1：车厢在井底工作面装满煤后，发一个联络信号给井口提升机操作工人，操作工人再回复一个信号到井底，然后开机提升。重车从井底开始上行，空车同时在井口车场位置开始下行。

    (2)第二阶段t1～t2：重车启动后，加速到变频器的频率为f2速度运行，中速运行的时间较短，只是一过渡段，加速时间内设备如果没有问题，立即再加速到正常运行速度。

    (3)第三阶段t2～t3：再加速段。

    (4)第四阶段t3～t4：重车以变频器频率为f3的最大速度稳定运行，一般这段过程最长。

    (5)第五阶段t4～t5：操作工人看到重车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快跳闸。

    (6)第六阶段t5～t6：重车减速到低速以变频器频率为f1速度低速爬行，便于在规定的位置停车。

    (7)第七阶段t6～t7：快到停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，操作工人发一个联络信号到井下，整个提升过程结束。

    图中加速和减速段的时间均在变频器上设置。以上为人工控制方式，也可由PLC来进行过程的自动控制。

    五、PLC控制程序

    PLC控制程序如图13 -7所示。

    图13-7    PLC控制程序

    绕线式电动机转子串电阻调速，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率越大。使用变频调速，是一种不耗能的高效的调速方式。提升机绝大部分时间都处在电动状态，节能十分显著，经统计节能30%以上，取得了很好的经济效益。另外，提升机变频调速后，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高，减少了运行故障和停工工时，节省了人力和物力，提高了运煤能力，间接的经济效益也很可观。