忻州窑矿矿井提升机变频调速控制系统设计研究

周丽霞

（晋能控股集团忻州窑矿，山西 大同 037000）

忻州窑煤矿位于大同市西南方向，地势由西北向东南倾斜，井田面积17.4 km2，储量约为7800 万t，年开采能力为230 万t 左右。JTP-500 型矿井提升机安装于2011 年，人工就地控制，通过切换串接在转子侧电阻的能耗制动方法来提升运行速度。由于缺少运行状态监测系统，无法自动识别系统故障隐患，系统稳定性和安全性差，且能耗制动方法无法精准控制提升机运行速度。设计变频调速控制系统实现远程集中自动控制，增强系统安全稳定性和调速节能精准性。

矿井提升机变频调速控制系统主要实现提升机集中控制、运行保护和变频调速等功能，系统整体框架图如图1，主要包括高压配电系统、高压换向电制动切换系统、制动系统、控制系统与变频调速系统。

图1 矿井提升机变频调速控制系统框架图

（1）高压配电系统

高压配电系统设置双路10 kV 供电电源，两路高压电设置互锁关联，设自动和手动切换装置，保证在一路断电或检修时，能手动或自动快速切换到另一路供电。高压配电柜内装设过流、欠压和短路等保护装置以及电量计量仪器仪表，主要为系统的提升机单元和高压变频器提供安全稳定电源。

（2）高压换向电制动切换系统

切换系统主要对提升机的电机转向进行控制，实现提升机的下放和提升作业[1]。切换系统的控制信号由主控台发出，换向制动切换系统按照设定程序控制电机执行正向和反向运转以及制动电源与工频高压电源切换。高压电机换向系统设置电气和机械双重闭锁功能。

（3）制动系统

制动系统是提升机控制系统的安全保障单元[2]。为保证制动系统的稳定在线，避免由于控制需求切换电源导致的制动系统失效，同时考虑到系统高压对电源的电磁干扰影响，采用独立直流供电模式[3]。

（4）控制系统

作为提升机控制系统的核心结构，控制系统包括现场设置的各类状态监测传感器、信号传输通讯、主控台数据处理模块（PLC）以及显示和其他终端设备等，完成提升机状态监测、逻辑判断、控制指令输入和输出、参数终端显示等。

（5）变频调速系统

变频调速是调速控制系统的关键，主要通过对逆变电路输出的电压幅值与频率进行控制调节[4]，完成提升机电机的速度控制。

（1）PLC 选型

提升机调速控制系统以西门子S7-400 为主控制器，S7-300 为辅控制器，保证系统的整体数据传输速度和数据处理能力，配置见表1。

表1 PLC 配置表

（2）变频器的配置

系统选择交-交变频器实现提升机速度调节，变频器的功率单元采用6 脉动和12 脉动切换的方式，主回路电路图如图2，依靠Q1-Q4 四个切换开关完成脉动运行方式切换，各组分别与同步电动机的双绕组线圈连接，一组三相变流器A111、A121、A131 由△/Y 接法的定子变压器T1、T2、T3 进行供电，另一组三相变流器A211、A221、A231 由△/△接法的定子变压器T4、T5、T6 进行供电。每台定子变压器上加装电流互感器，用以检测输出电流，在变压器旁设置过流保护检测装置，用以检测三相不平衡电流[5]。

图2 交-交变频器主回路电路图

变频控制电路主要包括：① 运算电路。利用空间矢量理论将所测电流电压值运算得出异步电机实际输出转矩及转速，采用与设定的相关值对比方式，通过逻辑运算得出控制提升电机电路的频率和电压值，并输出控制信号[6]。② 驱动电路。根据运算电路逻辑运算结果实现控制元件动作。③ 速度检测电路。通过转速传感器对提升机电机运行速度实时检测[7]。④ 电流电压检测电路，是提升机电机的电压电流反馈电路。⑤ 保护电路。检测到系统过流、欠压和短路等，进行电路保护处理，主要针对电机和变频器逆变电路进行保护[8]。

（1）变频调速程序设计

变频调速控制系统以西门子S7-400 和S7-300为核心控制器，程序设计通过西门子step7 软件完成提升机运行控制、调速控制、故障诊断、联锁控制以及记录查询等功能，实现数字量信号和模拟量信号的输入和输出。系统运行模式分为应急、低速、手动、主动四种，如控制系统检测到故障信息，且能够确认故障点，系统会自动跳转到低速运行，将提升机速度控制在0.5 m/s；
一旦检测到重大故障，则启动应急控制模式。变频调速控制流程如图3。

图3 变频调速控制流程图

（2）安全回路控制逻辑

图4 为系统的安全回路逻辑控制界面。系统启动时，系统通过监测判断，对各开关进行状态判断，正常即闭合，不正常则断开。按照下图回路控制逻辑进行回路安全结果判定，按照判定结果，系统执行启动或安全故障报警等动作。

图4 系统安全回路逻辑控制界面

（3）上位机软件设计

系统上位机主界面如图5，主要显示提升机运行状态、电机温度、主系统速度、天轮速度、箕斗深度和设备故障信息等，为监控人员实时显示系统各项监测信息。界面左侧设计安全回路、参数设置、历史曲线、闸盘监测、电控报警等查询和控制分界面引导按钮。

图5 变频调速控制系统上位机主界面

为了检验设计的提升机变频调速控制系统的控制和调速效果，忻州窑煤矿设计工程试验，模拟提升机故障，检测系统的故障诊断准确性和故障下逻辑控制有效性；
进行提升机速度与行程控制试验，检测系统的变频调速功能。

（1）过卷超限故障试验

在提升机运行过程中，手动控制系统减速，上现场广播触发“提升系统减速，请注意”语音播报；
提升机系统继续运行，人为触发极限过卷保护开关，上位机自动跳转故障报警界面，“行程软上过卷”报警灯亮，同时提升机系统现场紧急刹车，触发故障报警警铃。

（2）监测数据试验

记录上位机电流、电压、温度等数据，利用监测仪器仪表进行现场测量后对比，各传感器监测数据与现场实际数据基本相同，最大误差不超过1.5%，能够满足系统的精度设计要求。采用step7 软件，修改轴承温度，监测参数程序报警阈值和急停控制信号输出阈值，使当前系统监测数据分别超出程序设定阈值，系统在监测数据超过报警阈值但未超过急停动作报警时，只在上位机提示轴承温度高报警，并发出声光报警信号；
在监测数据超过急停动作报警时，控制提升机刹车急停，并触发故障报警警铃。

（3）提升机速度与行程控制试验

忻州窑煤矿当前服役的JTP-500 型提升机行程约为515 m，在调速系统中设定全行程运行速度调速控制试验，根据速度监测传感器监测的数据绘制速度如图6。① 初加速控制：运行前4 m 为电机初始加速里程，速度持续增加到2.5 m/s；
② 加速控制：7～73 m 里程系统控制电机加速，速度从2.5 m/s 平稳增加到8.38 m/s；
③ 定速控制：控制电机在73～443 m 里程定速运行，检测系统定速控制稳定性，期间电机速度稳定8.38 m/s；
④ 减速控制：在443～508 m 里程变频控制电机减速，速度降低为2.5 m/s；
⑤ 爬行速度控制：最后里程模拟提升机爬行运行速度，系统刹车平稳降速。

根据行程变频调速控制试验图可以看出，变频调速系统能够按照控制需求，精准控制提升机运行速度，且整个调速过程平稳，速度曲线过渡平滑。

图6 变频控制提升机速度图

（1）远程调速系统包括高压换向电制动切换系统、制动系统、控制系统以及变频调速系统，采用传感器采集运行参数，经逻辑计算判断，输出提升机控制指令，完成提升机系统启停、故障报警或刹车停机等动作；

（2）对主控和备用PLC 选型，设计安全回路控制逻辑，测试行程与速度关系，采用组态软件WINCC 设计上位机操作界面，并完成了功能测试。

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