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。
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