PLC+高压变频器在矿井提升机中的应用

一、矿井提升机概况
      冀中能源峰峰集团有限公司薛村矿（风井区）副井提升系统，担负着地面至三水平之间人员、物料、矸石的提升任务，提升机在整个煤矿安全生产中占有重要的地位。因此，要求矿井提升机电力拖动系统具有良好的安全可靠性、控制精度及调速性能。
     矿井提升机作为矿山最大的电气设备之一，其耗电量占矿山总耗电量的30%—40%，并且运行特性复杂，速度快，惯性大，一旦提升机失去控制，不能按照给定速度运行，就可能发生超速、过卷等重大安全事故，造成设备损坏甚至人员伤亡。因此，矿井提升机的电控系统的技术性能和可靠性直接影响着矿井的安全生产。
     目前，副井提升机电控系统多采用交流电动机转子回路串电阻调速，由于采用常规继电器控制，导致系统调速精度低，可靠性差，维护费用大，电机启动电流及切换电流冲击大，设备运行不平稳，易引起电气及机械冲击；且控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺少故障诊断功能，排查故障困难；转子回路串接金属电阻，白白消耗电能造成能源浪费；电机滑环处容易发生接触不良，引起设备故障，造成维护工作量增加及维修材料费用升高；并且所有接线端子裸露在外，暴露在空气中，给提升安全带来极大的危害。因此，对该类型提升机电控调速系统进行改造升级是非常必要的。

2.交流电动机转子回路串电阻调速系统

在加速过程中，交流接触器KM1—KM10逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求电动机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电伏态。
这种拖动方案存在的问题是：
（1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；
（2）触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差；
（3）运行效率低，在低速时大部分电能都消耗在电阻上；
（4）电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的20%—30%；
（5）接触器经常吸合与断开，噪音比较大。
此种电控调速方控制方式简单、技术性能和运行效率低，不符合《机电安全质量标准化标准》要求：提升系统未实现PLC控制。不适应目前节能减排新形势的要求，是这次电控系统改造的主要原因所在。

二、技术改造的理由
随着薛村矿原煤产量的不断提升，开掘工作量急剧上升，特别是三水平重点工程，随着该工程的快速开拓，矿井排矸量也相应地增加，在现有提升条件下，副井提升系统只能采用压缩检修时间来满足生产需要。

     副井提升电控系统现使用的电控装置为JKMK—J—B—300I型常规继电器控制系统，采用转子串电阻调速的方式，此调速方式技术相对落后，无效功耗过大，结构复杂，且运行效果很不理想该系统由常规的继电器、自整角机、磁放大器等电气元件组成逻辑控制电路。电气控制系统虽然设计有多种控制功能，但有些功能在现场实现起来非常困难；并且控制逻辑功能使用了大量的电气触点，这些触点又都是暴露在空气中，受灰尘和大气氧化的影响，时有失效现象发生；再加上有些功能是电参量与机械闸形成闭环控制，跟随性很差，导致电气保护功能、控制精度和可靠性较差，控制系统相关的保护功能失效，系统运行安全得不到保证，而且维护工作量较大。
     提升系统在调速区运行时，速度的调节和控制主要方法是在电机转子回路串电阻和利用工作闸来调整拖动力矩，在调速过程中大量电能白白消耗在转子电阻上，不但造成了大量电能的浪费和调速电阻工作温度升高，寿命缩短，维护量和维护费用增大，而且电阻室空间空气温度很高（夏季温度在50℃以上）。
     提升系统工作在加速、减速、爬行区的时间占全程运行时间的70%，司机需要频繁操作来完成提升工作，司机频繁操作且极易疲劳。
因此，对该系统电控进行技术改造，解决系统存在的问题和弊病，提升系统安全运行系数，实现高效节能运行非常必要。
     矿领导通过考察国内用户现场使用提升机变频器的实况后，决定选用北京合康亿盛变频科技股份有限公司生产的HIVERT系列6kV/1250kW高压变频器，对副井提升机电控系统进行技术改造。将现使用的JKMK—J—B—300I型电控系统更新改造为JKMK/GBP-NT-1250KW/6KV型全数字高压变频提升机电控系统，副井绞车提升系统实现变频器+PLC控制，提升机能够按照预定的速度图要求实现平滑的起动、运行、减速、爬行、制动和停车。

三、方案实施
     拆除原有电控系统的电力拖动部分，重新安装一套全数字高压变频提升机电控系统。全套提升电控主要由高压配电系统、高压变频器、低压电源柜、提升数控柜、全数字高压变频系统、网络化操作台及计算机监控系统组成。操作系统选用西门子公司原装PLC（S7系列）作为操作控制中心，采用PLC实现对提升机的工艺控制和安全保护；安全保护采用以软件、硬件两路安全回路实现双重保护。
     该电控系统具有活跃前端能量回馈特性的四象限变频器，直接向鼠笼式交流电机供电，构成高性能、数字化的高压变频调速系统。具有优于直流电动机的优良机械特性，不仅提升工艺过程优良，具有启动力矩大，过载能力强、调速范围宽等优点，而且节能效果显著，使得整机效率大大提高。
采用6KV/1250KW的高压变频调速装置将50Hz工频变成0~50Hz连续可调的变频电源，电动状态时从电网吸取能量，使电动机产生电动力；制动状态时工作于逆变状态，将能量返回电网，使电动机产生制动力，完成对电机启动、调速、验绳、低于额定速度运行等控制过程。此外，调速柜柜门上设置有触摸屏控制主界面（12寸真彩汉显操作面板），具有运行参数的实时记录，运行故障查询和参数设定功能。
全数字高压变频提升机电控系统具有如下特性：
     1）采用具有活跃前端能量回馈特性的四象限变频器，1、具有启动力矩大，调速范围宽，动态特性精度高等优点；2、具有能量回馈电网功能。电动状态时从电网吸取能量，使电动机产生电动力；制动状态时工作于逆变状态，将能量返回电网，节能效果显著。
     2）具有接近于1的功率因数和大于95％的能量转换效率，电流谐波成份少，无须功率补偿器和谐波抑制设备。
     3)通过改变送入主电机的电源频率和电压实现对系统速度的控制。
     4）全系统实现无极调速，自动控制运行速度。
     5）在系统运行的加、减速阶段，变频系统根据速度要求自动调整输出功率，满足负荷需求，使电能得到充分利用。
     6）在负力提升、控制速度运行及减速时，变频系统可将提升系统的机械能部分转变为电能回馈电网，实现节能降耗。
     7）启动平稳，无冲击，降低了电机的噪音和故障率，实现系统的软启动，软停止。
     8）节能效果明显，大大降低了用电量，节约了运输设备对电能的损耗。

四、效益分析及推广前景
     采用高压变频电控系统对现有传统电控系统进行技术改造后，系统的逻辑控制和控制功能均利用计算机程序实现，使用规电器元件数量大量减少，克服了常规电器元件大量使用所带来的诸多问题；同时系统的控制精度大为提高（可精确到0.01米）；保护功能更趋完善，不但可达到“煤矿安全规程”对绞车保护设置的规定，而且可实现双线制控制和安全冗余功能，还可根据现场需要增设新的安全保护和控制功能。因此，对提高系统运行的安全和可靠性十分有利。
1、社会效益：
     由于全自动电控系统采用了高科技产品，降低了司机的工作量，改用全自动电控系统，降低了维护工作量。提高了安全系数，保证了安全提升安全，从安全和维护工作量来说，有着良好的社会效益。
2、经济效益：
     1）采用变频调速后，可避免潮湿天气发生电气事故，按两年更换一套高压接触器计算，两年可节约6万元，年可节约3万元。
因副井停车造成的间接损失达10万余元，包括影响进尺、产量等。
还有出现紧急停车事故，对钢丝绳造成损坏，使用全自动就可避免紧急停车，制动平稳，可延长钢丝绳的使用寿命。
     2）薛村矿（风井区）副井提升机使用后与使用前耗电量的比较，可节电27%，按此计算，副井现每勾耗电17.5KW/h（由绞车技术性能测定报告中查出），副井绞车目前提升勾数为250勾，每年按350天计算，每KW/h按   0.53元，年可节电413437.5度，节资21.91万元
       0.27Χ17.5Χ250Χ350=413437.5KW/h
       0.53Χ413437.5=219121.88元=21.91万元
     3）采用变频调速控制系统，甩掉了交流接触器及时间继电器等，不再造成触点及线圈烧坏，金属电阻箱频繁烧坏，也不必频繁更换碳刷，年可节约材料费及其它费用共计2.2万元。
     4）年节约维修工时费用
     副井绞车电控系统变频改造后，大大降低了维修量，变频器的平均无故障时间为20—30年，从而省去现有控制系统的周检、月检及停产检修的维修工时费。
粗略计算（按每年50周、8人参加检修、8小时周检、平均日薪70元。月检可减少5人，）每年检修工时费：
        50×5×70=17500元=1.75万元
     5）年节约总费用为
        6+10+21.91+2.2+1.75=41.86万元
     冀中能源峰峰集团有限公司薛村矿（风井区）副井提升系统采用变频器调速以后，调速精度高，噪声污染消失，操作也方便，深受现场操作工的欢迎；更重要的是绞车运行可靠，而且节电效果显著，具有非常明显的经济效益和社会效益。
     从目前各种不同的技术改造方案对比来看，PLC+高压变频器的交流调速技术方案是提升机电控系统改造的优选方案。PLC+高压变频器的交流调速技术的新型电控系统已成功地应用于矿井提升系统中，并取得了较好的运行经验，克服了传统电控系统的缺陷，在矿井提升系统中值得推广应用。