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1、兖州矿区矿井提升机控制技术研究与理论兖州矿区矿井提升机控制技术研究与理论李剑峰兖矿集团设计研究院导语：兖州矿区针对矿井提升机电气传动及控制系统运行中发现的问题，应用先进技术对设备改造理论根据进展研究与施行。现场运行实际说明，这些改造成果有效地节约了电能，保障提升机的平安运行。摘要：兖州矿区针对矿井提升机电气传动及控制系统运行中发现的问题，应用先进技术对设备改造理论根据进展研究与施行。现场运行实际说明，这些改造成果有效地节约了电能，保障提升机的平安运行。关键词：煤矿；立井；提升机；电气；控制中图分类号：TD63文献标识码：B1.引言近几年来，兖州矿业集团有限责任公司成功地针对矿井提升机电气传动及
2、控制方面存在问题进展数字控制的研究与施行。煤矿现场的运行实际说明，兖州矿区的矿井提升机改造成果有效地节约了电能，保障了提升机的平安运行。2.鲍店煤矿主井北提升机电控系统晋级兖州矿业集团公司鲍店煤矿运用冗余技术、人机工程学等当代设计思想，采用目前先进的可控硅变流器电动机直流电力拖动系统和全数字控制系统，对由直流发电机供电的原主井波兰提升机进展改造，实现提升机全数字控制、实时监测、故障自诊断等功能。通过此项改造，进步设备运行的平安可靠性、而且节约电能，知足矿井开展的需要。原有状况鲍店煤矿主井北提升机是从波兰引进的产品，采用直流发电机组供电，电枢换向，励磁机恒流励磁。由于控制系统精度低、可靠性差，一
3、直处在半自动方式和手动方式下运行。随着控制系统老化，故障更加频繁。因此，他们决定将提升机的FD直流拖动系统改为KZ-D直流拖动系统。改造内容在设备配套方面优化设计各种配置，保存原有高压供电系统，只对操纵机构进展改造，使其具有自动控制功能；选用ABB公司低压供电系统，便于自动控制；选用ABB公司DCS600型12脉动串联可控硅直流驱动系统，改造FD机组；选用AC110可编程控制器实现提升机程序控制及经过控制；选用AHM110实现提升机运行经过监控；选用FHF为井筒信号、通讯和控制系统；以AF100总线为通讯总线，设置相应的站点，实现对各种运行设备的控制和监视。新系统设置全自动、手动2种方式用于提
4、升煤炭，提升速度全速12.8m/s，其中手动方式0.112.8m/s可调。主绳、尾绳、井筒检查3种方式限速0.5m/s。改造效果经济效益。准确的提升速度、行程控制及装、卸载自动化控制，极大缩短提升周期，采用全自动方式下运行的每个提升循环时间由原系统105s减少到90s以下，提升才能每年增加36万t以上。提升系统运行效率进步，节电效果明显，年节电260.58万kWh。社会效益。由于淘汰2套同步发电机组及配套的各类电动机、冷却风机，主井井塔现场噪声大为降低，符合环保的要求。此外，由于设备性能可靠、监测系统先进、故障指示准确，减小故障判定难度、简化故障处理经过、降低维修人员劳动强度。3.鲍店煤矿主井
5、南提升机电控系统晋级兖州矿业集团公司鲍店煤矿在保持提升机电控系统控制原理及软件逻辑关系不变的情况下，把主井南提升机的电控系统模块由S5PLC晋级为S7PLC，同时根据S7PLC的强大通讯功能优化局部控制程序，进步了信号的传输速度。晋级改造的必要性鲍店煤矿对主井的南提升机电控系统进展改造以后,主控及装卸载控制系统采用西门子S5PLC实现。根据西门子使用手册及电气元器件使用规律，78a为PLC及控制模块的稳定运行期，过了稳定运行期以后那么元器件十分是电容老化现象逐渐明显，曾经屡次因模块老化而影响消费；西门子公司目前已经停顿消费S5系统模块，库存产品价格过高，而且有的配件很难买到；STEP5编程繁琐
6、，并且必须用专用编程器才能查看，不利于现场维护人员的把握和对控制系统深层次的理解，STEP7编程为WINDOWS界面，在普通电脑上即可运行，有利于进步维护程度；S5S7晋级改造费用低，购置34块S5系统CPU948模块花费6080万元即可；改造以后能与副井提升机电气控制系统相一致,作到备件、技术分享。晋级改造改造前的主控系统。主要由S5-155U及其主机架、1个扩展机架、4个ET200M分站及上位机组成。主PLC为CPU948，组态软件为IN-TOUCH，主要完成提升机工艺控制及与SIMADYD闭环控制系统通讯，是提升机控制的主要环节。其中，包括软件平安回路、上下压控制、辅助设备控制等。此系统
7、硬件在工业控制领域已被S7-400/300PLC取代，装卸载控制系统安装在主井塔的二楼卸载站，主PLC为S6-115U，主要完成装卸载的工艺控制以及井筒信号的处理。155U与155U之间为点对点通讯，155U与SIMADYD为TTY通讯方式。改造目的。增加系统的可靠稳定性；全面的报警功能；与副井提升系统实现资源分享；关键部位通讯实现工业以太网通讯；优化装卸载程序；实现提升机监控信息的网上分享；更快的程序处理速度。改造内容。在软件方面保存原主控程序功能，对程序进展转换。例如，卸载系统中舌板设备经常出现故障，以前改造已将此装备去掉，但是程序仍然要检测舌板位置，因此必须用其它位置开关代替。此次晋级在
8、保持装卸载程序根本不变情况下，对装卸载程序进展整体优化，去掉一些没有意义的输入点。此外，对主控系统和前连接方式等硬件回路也进展了改造。改造效果鲍店煤矿主井南提升机通过改造进步程序的运行效率，极大减少电气控制方面的故障率，以60万元的较低代价解决硬件运行时间长、模块老化的问题，具有显著的经济效益和社会效益。4.兴隆庄煤矿主井提升机电控系统晋级兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿担负原煤提升任务的主井2台提升机均为从瑞典引进的20世纪70年代产品，电控系统所属配件原厂家目前已不再消费，备件缺乏，严重影响消费正常运行。他们成功地对2台提升机电控系统进展改造，为国内其它煤矿同类型提升机的改造提供了有效的借鉴经历
9、。提升机电控系统存在主要问题机械传动式程度监控器的传动机构为齿轮传动，磨损严重、控制误差大、故障频繁，国内产品难以配套；操纵控制系统为继电器程序控制，每台提升机有继电器400多个，接点多、接线复杂、维护工作量大、故障率高，大局部继电器均已超过其使用寿命，进货渠道不畅、价格昂贵；可控硅驱动系统为模拟控制，控制插件多、控制精度较低、调试困难，可控硅容量低，难以适应增加提升才能需要；保护系统技术落后，精度、响应速度和可靠性都不适应运行要求，液压站制动系统工作状态无有效监测、温度保护无准确显示、速度保护误差大，平安保护不完善；司机操纵台操纵方式落后、运行状态指示不完善，指针式提升深度指示误差大，不利于
10、平安操纵监视。提升机电控系统改造方案设计。首先由矿方自行设计电控系统的改造总体方案，主要配置采用国际招标引进的方法，要求新的电控系统整体性能到达当前国际先进程度，改造以后具备以下功能：整个系统为全数字化控制；可方便进展各种方式操纵、运行参数整定调整及保护试验；监测功能齐全，提升机运行状态、参数和故障等实现计算机控制、显示与记录，人机界面友好；保护完善，具有故障自诊断测试功能；运行可靠，控制精度高，提升效率高，维护工作量小。改造范围。包括继电器控制系统、可控硅驱动系统、司机操纵台、程度监控系统、监测保护系统及液压站6个局部，保存设备为主电动机、整流变压器、高压开关柜及装卸载系统4个局部。国内配置
11、的设备有称重系统、低压配电柜、动力电缆及局部控制电缆。改造后的系统主要配置如下：控制系统选用ABBAdvantOcsAC110开放式控制系统，这是一个以计算机为根底的用于逻辑及调节控制、具备通讯功能的模块化控制器；驱动系统选用ABBDCS600传动系统变流器，用于驱动和控制直流主电动机；AHM110数字监控系统是对提升机进展准确监视和平安保护的设备；人机通讯系统选用DESKPRO型计算机作为视频设备。改造效果兴隆庄煤矿主井提升机电控系统改造工程的不停产成功施行，具有显著的经济效益和社会效益。经过现场测定，经过改造的提升机运行时间比原系统缩短3s；全年增加提升才能50万t以上，年节约电能60万k
12、Wh以上，年增效益1000多万元。改造后的提升机电控系统实现了全数字控制，控制精度、运行可靠性、稳定性大幅度进步。驱动系统容量的进步，为今后提升增吨改造提供保障。5.北宿煤矿副井提升机电控系统晋级兖州矿业集团公司北宿煤矿二号副暗斜井提升机原来为沟通异步电动机驱动的TKD系统，信号局部经过技术改造实现PLC控制。此后，他们在此根底上再次对信号局部进展技术改造，系统自动控制系统采用先进可靠的交直交变频技术，实现双PLC控制和双平安回路，具有节能、高效、高产、高可靠性、稳定性好的优点。原先存在的问题北宿煤矿二号副斜井提升机为2JKB-21.25型；电动机功率160kW；电动机定子电压660V；电动机
13、转速743r/min；减速机速比20：1；钢丝绳直径21.5mm。此提升机原为沟通绕线式电动机串电阻调速系统。这种控制系统采用继电器有触点的逻辑控制,以切换串入沟通电动机转子的电阻来到达调速目的，属于有级调速，线性度差，调节精度很难保证。北宿煤矿的这套系统设备运行时间较长，沟通接触器的主触头轻易氧化而引发设备故障；提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差；提升机的起动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生的功耗较大。控制系统技术改造他们采用PLC逻辑替换继电器逻辑，电子线路替换磁放大器，对可调闸和动力制动进展调节控制，主令控制器用简单的接点耦合替换，速度信号采用电子线路处理，变频器调速控制实
14、现提升机的恒加速、恒减速控制以及电动机软启动，驱除转子串电阻造成的能耗。提升机行程控制他们根据提升机的升降位置施行控制，利用深度指示器将行程位置转换成开关信号，通过变频器的控制端实现多段速度变频控制、停车控制和制动控制。行程控制分为正向提升经过和反向下降经过，主要是将提升机的升降经过划分为不同的行程区间，根据每个行程区间的实际情况采用不同的变频调速控制提升机的升降速度。行程控制不仅控制提升机整个升降行程经过的变频调速，而且控制提升机的停车和制动经过，很好地防止提升机过卷、掉道等事故。应用效果北宿煤矿二号副斜井提升机的改造应用理论说明：原先的绕线式电动机转子串电阻调速技术在电阻上消耗大量的转差功
15、率，速度越低消耗的转差功率越大；采用变频调速是1种不耗能的高效调速方式，提升机的绝大局部时间都处于电动状态，节能效果特别显著。；而且，提升机变频调速使系统运行的稳定性和平安性都得到进步，减少运行故障和停工工时，间接的经济效益也很可观。6.济宁二号煤矿主井提升机电控系统晋级兖州矿业集团公司济宁二号煤矿对矿井提升机交交变频矢量控制系统施行技术改造后，在保存原控制系统的同时新增1套控制系统，到达2套电控系统相对独立且互相切换、互为备用的目的，进步矿井提升机平安运行的可靠性。矿井提升机电控系统原先状况该矿主井提升系统配置1套从德国西玛格公司引进的、电控系统为德国西门子公司基于S5-PLC和16位SIM
16、ADYN-D交交变频矢量控制的调速控制系统。主电机为西门子消费的5400kW的双绕组同步电动机，主摩擦滚筒和制动控制液压站由西玛格公司提供，制动控制系统为西门子S5-115U可编程控制器和制动控制板等组。由于原控制调速系统元器件老化、备件供给困难、维护本钱高，严重影响矿井平安消费，需对电控系统进展改造。矿井提升机交交变频电控系统改造他们根据矿井提升机工艺和控制要求，结合现场实际情况，保存原系统可控硅功率单元、高压配电单元、闸控系统等，新增加的交交变频电控系统构造主要由主控PLCS7-400系统、SIMADYN-D全数字矿井提升机工艺控制监控系统、SIMADYN-D全数字交交变频矢量控制系统、新
17、操纵台、故障监视与显示系统、信号转换系统和新增的装卸栽控制系统七个局部组成。主控PLCS7-400系统。根据提升工艺信号，提供提升机运行的计算、分析、运行和控制信号；实现系统运行的各种监视与监控任务；实现系统的故障监测、故障分析与故障监控；向SIMADYN-D交交变频矢量控制系统提供应定信号和运行控制信号；想监视与显示系统提供故障信息和系统运行信息；向操纵台提供系统运行信息。全数字提升机工艺控制监控系统。矿井提升机工艺上是在2个定点之间运行，控制系统最终的控制效果表达在对位置行程的控制上。提升机的平安性也要求电控系统具有优良、平安可靠的行程控制功能。另外，完善的提升机电控系统必须具有监控功能，
18、监测提升机的整个运行状态。当系统出现故障时可以及时检测到并且作出处理，对于重要运行状态还需要进展冗余监视。提升机工艺控制系统采用双通道冗余的SIMADYN-D控制器实现对提升机的工艺控制，2套系统独立运行实现冗余控制，包括提升机行程控制及运行状态监视。主要实现以下控制功能：根据行程信号实现全数字行程控制；根据系统运行状况，实现交交变频矢量控制系统的信号监测与监控；根据主轴编码器和导向轮编码器信号以及测速发电机信号，实现矿井提升机系统运行的监测与监控，如逐点速度监视、速度相互监视、连续速度监视、行程相互监视、滑绳监视、错向监视及在监视系统软件中设定井筒开关监视、过卷监视、失励监视、最大减速度监视
19、可控硅整流桥监视、停车零电流监视及给定值实际值监视等。改造效果自从新的电控系统投入运行以后，济宁二号煤矿主井提升系统运行稳定，解决了原先提升机电控系统上电难、复位难、同步难的问题以及监控系统信息量少而且不直观的问题，从根本上解决了原系统备件供给困难的问题，真正做到新老系统相对独立而且互相备用，进步矿井提升机运行的平安性和可靠性，到达设计要求，完全实现1台提升机2套电控系统的运行形式。7.杨村煤矿副井提升机全数字化控制兖州矿业集团公司杨村煤矿的副井提升机原先配置沟通异步电动机驱动的TKD系统，采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成的模拟量可调闸闭环调节，靠切换串入沟通电机转子的电阻来到
20、达调速的目的，调节精度很难保证，稳定性和线性度差，而且设备老化已经影响矿井的平安消费。为此，他们对其进展改造，并在中国矿业大学的支持下研制出提升机全数字化控制自动化系统。控制系统技术改造范围PLC应用在沟通提升机的改造上，主要表如今：采用PLC逻辑替换了继电器逻辑；采用电子线路替换磁放大器，对可调闸和动力制动进展调节控制；主令控制器用简单的接点耦合替换；速度信号采用电子线路处理。引入这些技术后，在一定程度上改善了提升机的性能，但是也存在一些问题：外围硬件太多，没有充分发挥PLC软件的功能，装置轻易出现故障和产生不稳定；简单耦合的主令控制器可靠性差，轻易造成开车控制上的重大错误；对速度检测增加中
21、间有源环节，轻易造成速度监测错误；减速点等关键点设置太少，留有隐患；没有良好的调节控制程序，调速性能不理想。矿井提升机直流拖动与沟通异步电动机拖动相比，调速性能好、不需要附加其它拖动装置、轻易实现自动化。此项改造的内容是去掉TKD电控系统、沟通电动机和信号操车设备等，改为新型直流调速自动化系统，主要包括开发1套由高压开关柜、整流变压器、电枢整流柜、司机控制台、PLC柜、低压配电柜和上位监视机等组成的全数字自动化副井提升电控系统，使用直流电动机，更换1套PLC控制信号操车设备。提升机电控系统的关键技术动力系统设计。6kV来自矿井35kV变电所2路进线，手动切换。提升机房放置1台6kV高压柜。高压
22、柜采用真空断路器，设有速断、过流、欠压、失压跳闸等保护功能。2路380V进线作为低压供电回路，手动投切。低压配电柜设置多路输出，担负提升机电控系统及信号系统的供电。驱动系统。提升机房设1台整流变压器，直流电动机主回路为1台主整流柜，内置1台SIEMENS6RA70整流装置。直流电动机的电枢回路采用晶闸管6脉动供电，电枢换向。6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入三相电源为变速直流驱动提供电枢和励磁供电，稳定电枢电流152000A。开环和闭环驱动控制及通讯功能由2台功能强大的微处理器实现，驱动控制功能可以通过参数将软件提供的程序块连接来实现。根据提升机行程控
23、制的要求，由PLC完成系统速度曲线与保护曲线运算，综合成为速度的给定输出。提升机控制系统。操纵台设置2个手柄，分别用于速度给定及制动闸给定。控制台显示盘设置主要状态显示灯、主要故障显示灯、圆盘式深度指示器和数字深度指示器、电枢电压和电流显示仪表等。改造效果应用理论说明：电路均采用大规模和超大规模集成电路，故障点少、可靠性高；硬件采用以总线联络的模块化构造，控制算法和系统控制利用软件完成具有可构置性，可以进展功能扩展；硬件工作状态通过软件反映，软件运行情况通过硬件监视，软硬件故障均可通过指示直接反映出来，维护方便；设有微处理器，整个控制功能与调速算法均由软件完成，控制精度高，稳定性好；全数字控制
24、直流拖动系统运行效率高、无功能耗低、节约大量电能、减少维护费用；系统可以产生S形曲线，减少对系统冲击，保护系统运行的平滑性；轻易实现数字通讯，并与其它系统联网，将系统中的运行参数和状态传递到网络上，实现当代化治理。8.南屯煤矿新型全数字直流调速提升机电控中国矿业大学和兖州矿业集团公司南屯煤矿基于工业现场总线PROFIBUS研制的TS3A型全数字化矿井直流调速提升机电控系统，使提升机电控系统真正实现数字化、网络化控制。在南屯煤矿主井提升机的几年运行结果说明，此系统可靠性好，具有费用低、周期短、易于维护等特点，有着广阔的应用前景。目前，我国煤炭、冶金等行业装备的矿井提升机大多使用模拟控制，其主控系
25、统采用继电器控制，触点多、接线复杂、故障率高、维护困难；驱动控制采用模拟电路，精度低、稳定性差、响应速度慢、调试困难；保护系统、监控系统等的信号收集采用机械传动、别离元件处理，无自修正及智能诊断等功能，速度慢、误差大、准确程度低，不利于平安运行。随着先进采矿技术的使用，矿井消费才能极大进步，老矿井提升机原设计提升才能的瓶颈制约作用愈显突出，电控系统的数字化改造明显缩短原系统的提升循环时间，增加设备的可靠性。电控系统构造新研制的TS3A型矿井全数字化直流调速电控系统是由PROFIBUS工业总线网络构造化组成的。其主要局部包括主控系统S7-400；监控系统S7-300；上位机监视系统；电枢12脉动
26、驱动系统及控制系统；励磁6脉动驱动系统及控制系统；含有远程监视站ET200M的低压配电系统和小巧方便的操纵控制台；还有高压配电系统、变压器、电抗器、直流快速断路器和测速环节等。整个电控系统由3条PROFIBUS工业总线和点到点通讯网络构成，实现各个子系统实时数据交换和控制。操纵台显示局部有高压通、直流通、辅助通、提升机可运行、同步信号、警告、平安回路、旁路保护、A斗、B斗、紧停、变流跳、辅助跳、变流1故障、变流2故障、励磁故障、装卸载故障、计算机故障、备用等。电控系统功能全数字化的控制系统。采用2套PLC。其中，1套PLC主要功能是执行操纵程序，并实现各种故障保护及闭锁。来自系统各局部的信号经
27、过隔离直接引入到PLC中，PLC将其处理后分为操纵、控制、显示、制动、故障和报警，送监视器显示故障类型，控制声光报警系统报警并施闸。系统的平安回路有3套，分别由主控PLC、监控PLC和继电器直动回路组成。系统的主要保护有过卷、等速段超速、减速段超速、全程过速、同步超限、装卸载故障、紧停等。状态的主要保护有电动机超温保护、主回路故障、高压柜故障跳闸、变压器故障跳闸、快开跳闸、紧急停车、励磁故障、操纵程序故障、低压电源系统故障、计算机系统故障等。另一套PLC把1个轴编码器和井筒开关配合完成行程监控。这种以软件处理为主的行程跟踪方法在灵敏性、可靠性及精度等方面都很高，只要选择分辨率较高的轴编码器就可
28、以保证定位精度在20mm之内。由于打滑与钢丝绳伸长等行程误差可通过井筒同步开关予以校正。PLC还将局部操纵信号、轴编码器信号、保护信号及行程参数结合起来进展逻辑运算处理，自动产生提升机所需要的速度给定信号。模块化的数字驱动控制系统。全数字调节局部采用西门子SIMOREG6RA70系列全数字直流调速装置，用于可调速直流电动机电枢和励磁供电。三相沟通电源直接供电的全数字控制装置构造紧凑，可选择给定值和反应值为数字量或模拟量，所有的控制、调节、监视及附加功能都由双微处理器实现。其主要功能是调节局部完成电枢回路和励磁回路的调节功能，实现电枢回路和磁场回路的各种监控与诊断。调试及运行调试经过如下：出厂前
29、的厂内器件检验、查线及各柜台的通电试验与检验；在现场安装完毕之后的上下压通电联调，利用小电动机进展直流12脉动和局部环节的调试；操纵台和3台安装完毕后的各个控制环节全面调试，利用现场原有电动机进展试运转调试；更换新的主电动机后的通电试运转调试。9.完毕语矿井提升机是矿山企业的关键机电设备，对矿井的消费及平安起着非常重要的作用。由于提升机的消费工艺要求比拟高，其电气传动及控制一直是世界各国电气传动界的重要研究领域。目前，兴旺国家的矿井提升机电控技术已经全面实现了全数字控制，而我国绝大多矿井的提升机电控系统还是沟通串阻调速继电器接触器控制，效率低下、平安隐患多，严重制约着矿山产业的安康开展，急需大
30、规模的技术改造和更新，应当从多方面实在给予相当的重视。兖州矿区对于矿井提升机电气传动及控制方面数字控制晋级改造的理论经历，也为国内其它矿区提供了可供参考的有益经历。主要参考文献： 1武玉梁，刘守金.提升机电控系统技术改造的理论J.山东煤炭科技,2000,18(4):13-15 2张运华，赵春涛.矿井提升机电控系统晋级改造J.煤矿机械,2007,28(11):144-146 3周东武.煤矿主井提升机电控系统改造J.煤矿机电,2002,23(3):41-42 4周东武.兴隆庄煤矿主提升电控系统改造理论及讨论J.山东煤炭科技,2006,24(5):59-60 5孙启刚，张厚宽.变频控制在北宿煤矿副暗斜井提升系统中的应用J.科技信息,2020,26(22):490-490 6朱绍平，訾继惠，郝宗蓬.矿井提升机交交变频矢量控制系统改造J.煤炭工程,2020,43(7):9-11 7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 8徐希康，黄显华，王德堂，王金泉，王公华，郑本光.基于PROFIBUS网络构造的全数字矿井直流提升机电控系统J.工矿自动化,2002,23(6):26-28