山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿 山东省烟台市 264000
摘要：矿用提升机是井下作业的重要运输工具，在矿产开采中得到广泛应用。本文在分析现有提升机控制系统存在的问题基础上，开展了基于交—交变频控制方式的矿用提升机控制系统设计，以供参考。
关键词：矿用提升机；问题分析；优化设计
1矿用提升控制系统组成
矿用提升机的提升控制系统主要包括制动系统、机械传动系统、工作系统、观测和操纵系统、拖动和自动保护系统等部分。其中，钢丝绳、提升容器、制动器、减压传动装置、电机、导向轮装置等部件共同构成了提升控制系统。各主要分系统的功能如下：（1）制动系统。提升机的制动系统是一个由制动器和液压传动装置等部件组成的液压制动系统，在提升机减速过程中，通过刹住提升机的卷筒，实现对提升机的迅速停车、制动，具有较高的制动效果和可靠性，对提高设备的运行安全具有重要作用，是提升机控制系统中的不可获取的关键设备之一。（2）工作机构。提升机的工作机构主要由主轴和主轴承组成，是提升系统中的主要承力机构，用于缠绕提升货物所需的钢丝绳，且可承受来自提升过程中的外界载荷作用，并传递至固定基础处，由此实现对货物的提升运输。另外，当提升过程出现机械故障时，可快速完成对主轴、轴承或钢丝绳的更换。（3）观测与操纵系统。提升机的观测与操作系统主要由操作台、深度指示器及轴编码器等组成，在提升过程中，操作人员可通过操作平台实现对设备运行的运行和控制操作。通过深度指示器，可实现对提升容器运行过程中不同位置的显示与提示；当提升容器接近井口时，深度指示器将发生减速信号提示；当提升机在制动状态时，指示器可对提升速度的快慢进行设置，实现提升机的速度限制。
2矿用提升机控制系统设计研究
2.1、PLC控制模块的设计原理
PLC控制模块是提升控制系统的核心部件，通过PLC可以实现矿井提升外围信号的控制、速度控制、行程控制、制动控制和故障诊断等功能。设计的提升系统PLC控制模块采用的是“SIMATICS7-400PLC+FM458-1DP+ET200M+CP443-5”架构。其中，FM458是一种采用64位RISCCPU的工艺控制器，运算处理能力强大，并且采用的是预设的处理程序，处理数据用时为毫秒级，能够满足高动态响应的闭环控制的需求。2.1PLC监控与故障诊断管理为了提高控制系统的可靠性，采用冗余设计，采用2套PLC自动化系统。将PLC控制系统分为A系统和B系统，如图1所示。
图1 双通道冗余提升机安全监控系统
通过A系统执行控制提升机和安全监视的操作，通过系统B执行安全监视的功能。双系统相互补充组成双通道冗余提升机安全监控系统。在提升系统中，所有的外部设备（如井筒运行状态和轴编码器状态等信息）均接入主控、监控系统，分别通过双安全回路判断提升机各外部设备是否处于安全状态，并根据状态信息通过具有多样性的技术措施预防或排除故障。具体运行方式为：所有外部设备的状态信息通过传感器检测，A、B中任一通道的闭环控制系统在检测到在速度或位置与设定不符时，PLC回路立即启动对应的处理程序并通过控制相应输出继电器的动作，联通接点，控制回路通电后发出报警信息并立即进行调整。采用双安全回路设计可以避免单回路因信号采集、程序运算等出现错处导致安全系统失效的问题。监控系统可对提升机的运行速度、行程、提升方向、各传感器、外围辅机等运行状态和设备进行监控，通过控制继电器接通操作电路排除过卷、电源故障和变速装置故障等问题或发出报警信号提醒工作人员及时处理。根据故障的类型和对提升系统安全性危害的程度将故障分为四级，分别为：一级故障，控制系统执行安全制动，同时发出声光报警信息；二级故障，系统执行电气制动，先将提升机速度限制到1m/s之下时，实施安全制动；三级故障，在进行一次提升循环后对提升机执行安全闭锁，并发出声光报警信号；四级故障，只发出声光信号，不做其他操作。除上述的常见提升机故障诊断及处理外，设计的系统还增加了对提升系统关键部位（如制动闸瓦、光电测速编码器和电动机的轴承等）的性能退化监控系统。该系统通过实时监控关键部位的性能状态，在关键部件出现性能退化的早期就有针对性地采取防退化或缓退化措施以延长关键部件的使用寿命和提前预防关键设备出现故障造成重大事故。
2.2、PLC给定闭环控制
由于滚筒的运行速度受电动机转速的直接影响，因此控制电动机的转速是控制提升机速度和位置的关键，提升机控制系统给定到电动机及传动装置信号的准确性和可靠性尤为重要。设计的提升机控制系统通过FM458控制器完成对行程、速度和转矩三重闭环控制给定信号的控制，使提升机按造预定的运行状态曲线工作，控制在规定处停车。如图2所示，为FM45控制器的闭环控制程序图。根据给定位置和位置编码器1传递来的实际位置信息构成位置闭环，同时对给定的速度曲线进行实施修正，并利用位置控制器运算得到给定信号。其中以比例控制器作为位置控制器，通过此装置可以控制提升机实际位置与设定位置一致，保证位置闭环，完成提升机精准停车的操作。以比例积分控制器作为速度控制器，通过比较位置控制器给定的速度与速度编码器（编码器2）检测到的提升机速度，依靠比例积分控制器控制变频传动装置调节电动机的输出力矩，调节提升机的速度与给定速度一致。在调节速度时，将加速度导数考虑在内完成S形曲线调速，以实现平滑调速，降低提升设备内部的瞬时应力。
图2 FM45控制器闭环控制程序图
2.3总线网络应用设计
由于矿产提升系统的各部件与控制系统为不同厂家提供，导致目前的提升控制系统主要对提升机进行监控，无法与主井配套装置、副井配套装置、提升信号、液压制动和辅机等进行有效控制。鉴于此，可利用网络通信技术将上述系统有机地组合到一起，形成完整、高效、可靠的提升机控制系统。由于采用的SIMATICS7-400PLC预设有Profibus-DP外置总线接口，因此建立Profibus-DP通信网络。将提升机控制系统分为信息采集层、信息分析层和信息处理存储层。信息采集层通过各种传感器采集设备的运行状态信息，并将信息传送至下一级；信息分析层将接收到的信息进行判别归类处理，包括故障记录、状态显示和打印等；信息处理存储层一方面将归类好的信息进行统计处理，一方面将处理好的数据存储到服务器中，以供工作人员进行浏览判断提升系统运行的状态。依靠Profibus通信网络可解决以往提升机控制系统存在的集约控制能力不足、信息传输量小、采集信息不全、可靠性不足和维护工作量大等缺陷。
2.4变频调速装置的选型分析
作为提升机控制系统的关键组件，传动调速装置直接影响提升机控制系统的可靠性。该矿原采用的是直流调速方案，直流调速具有调速连续、机械冲击小和低速转矩大的优点。然而直流电机对结构和制造工艺有较高的要求，导致直流电机配套的外围设备多、控制困难和维修频繁等缺点。现在最先进的提升机调速方案是采用同步电动机交-直-交变频调速，该方案具有调速精度高、调速迅速的优点，可通过二极管嵌位三电平交-直-交变频调速的方式实现交-直-交变频调速。市场上能实现该种调速方式的产品有德国西门子公司生产的SM150、瑞士ABB公司生产的ASC6000和我国生产的ASCS系列产品。其中SM150与ACS6000均采用的是IGCT功率器件，其散热方式为水冷。我国生产的ASCS系列产品使用的是风冷散热的高压IGBT功率器件，SM150和ASCS系列产品采用的是矢量控制策略，ASC6000使用的是DTC直接转矩控制技术，各产品在技术上有独特的优点。由于我国生产ASCS系列在价格上具有优势，并且是针对中国人的使用习惯和中国矿产实际情况设计的，因此该矿的同步电动机变频调速控制系统选用中国矿业大学生产的ASCS高压电压源型交-直-交变频器。
结语
结合工程实际使用情况，分析了现有提升机控制系统存在的问题，选用了交—交变频控制系统为设计方向，开展了基于交—交变频控制方式的矿用提升机控制系统设计，并对该控制系统全速向上和向下运行过程进行了现场测试验证，测试表明：提升机向上和向下的运行过程较为平稳，各项功能及指标均满足设计要求，系统运行可靠，控制效果明显，能满足提升机井下工作需求。该研究对指导矿产企业进一步优化提升机整体性能、提高提升机的控制精度、保障井下作业安全具有重要作用。
参考文献
[1]王建华.矿产开拓掘进工程快速施工技术研究[J].城市建设理论研究，2014（22）：5543.
[2]赵英宝，黄丽敏，谷勇.矿井提升机变频控制系统的设计[J].矿产机械，2014，35（9）：152-154.
论文作者:马耀鹏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年17期
论文发表时间:2019/11/26
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