论文部分内容阅读
摘要：通过对数字技术在直流矿井提升机中的研究，针对提升机的高可靠性要求，提出一种高可靠性的提升机保护系统。副井提升机电控系统采用了当今最先进的双PLC技术、并联十二脉动整流技术和磁场换向技术来改造传统的由继电器、晶闸管组成的模拟调速控制直流提升系统。
关键词：十二脉动 矿井提升机 行程控制 PLC控制 全数字
1 概述
矿井提升机作为井下与地面联系的咽喉，是矿山的关键设备之一，提升机起、制动频繁，调速范围广（一般在1：40左右），要求可逆提升。采用晶闸管供电的直流调速装置，可以很方便地实现上述目标，国内外直流提升机已普遍采用这种方式，尤其是数字技术的飞速发展，全数字式直流提升机电控系统已居矿山广泛应用，其性能和优点已得到普遍好评。作为矿井上下人员、材料的副井，提升机的安全稳定性和可靠性、高效性是重要的技术指标，直接关系到人员的生命及财产的安全。原提升机属国产大功率早期产品，模拟调速控制存在技术陈旧、故障率高、运行参数易受环境影响等问题，这些因素对提升运行的安全和生产构成了潜在威胁。因此，在设计上，采用了目前最先进的全数字直流调速整流技术，以及PLC无触点控制技术，在安全回路上采用双线制，保证安全回路动作的可靠性。
三河尖煤矿副井提升机型号为：JKM-3.25/4-I，其主要技术特征如下：
滚筒直径：3.250m 最大静张力：450KN
最大静张力差：140KN 变位质量：17300kg
钢丝绳结构：6V×34+NF 钢丝绳间距：300mm
导向轮直径：3M
减速器型号为：ZG-90II
减速比：7.35 最大输出扭矩：39000kg.m
最大输入转速：735r/min 重量：23780kg
直流电动机型号为：ZD-99/60
额定功率：1400KW 电压：660V
励磁他激电压：110V 电流：2240A
额定转速：500r/min 电流：47.5A
绝缘等级：B级 重量：17200kg
该电控系统已使用13年之久，虽经几次改造，但线路及继电器已严重老化，而且故障率高，调速性能也不稳定，已不能满足三河尖矿现有的提升任務。
随着计算机技术、数字电子技术的发展，尤其近几年可编程控制器的发展，其广泛地应用于工业现场控制领域，工业自动控制水平有了大幅度的提高，煤矿领域的机电自动化水平也有了很大的进步。安全是煤矿行业的“天字号”工程，为了切实保障煤矿的安全提升，煤矿装备了各种安全保护设施，各种监测监控系统，但是各种保护设施的增加，也提高了故障发生的机率，给维护人员增加了困难。
本课题采用现代的计算机技术、数字电子技术，利用可编程控制器控制绞车的运行，提高绞车提升的安全可靠性，实现绞车的全自动运行。
2 方案设计、设计原则
①安全性。系统的安全性是设计时应首先考虑的因素。安全问题是煤矿的头等大事，因此，一定要确保系统自身的安全：其应符合煤矿安全规程的要求，系统装备上尽可能实现人与物的本质安全。②可靠性。系统的可靠性是设计时应考虑的重要因素。一定要确保系统的灵敏可靠，不能出现错误的信息和动作，其系统的可靠性是安全性的重要保障。③科学性。系统的设计一定要科学合理，采用当前最先进的技术与方法，保证系统的科学技术先进性。④可用性。设计的全数字自动直流电控系统应便于安装、施工、维护；便于系统的功能扩展和容量扩展。⑤经济性。全数字直流电控系统软硬件的投资不应过高，应该经济合理可行，其应用应该带来一定的经济和社会效益。
3 电气系统组成
该提升机电枢回路采用了并联12脉动调节方案，一台主整流变压器副边有两套绕组，联结方式为D/d0-Y1，副边两套绕组电压相位差30°，分别送给两组整流柜，经均衡电控器进行变换和迭加后，在电机两端得到12脉动的直流供电电压。
3.1 以高压开关柜、低压配电柜为主体组成的高、低压供电系统，其功能是对主整流变压器和调节控制及PLC等回路供电，使系统具备工作条件。这些系统中配有必要的电压、电流测量、指示及保护等措施。
3.2 以电枢整流调节柜、励磁调节整流柜、主变压器、励磁变压器、平波电抗器、直流快速开关为主体组成的晶闸管变流设备，它是提升机的核心部分，是实现电流变换、进行能量传递、实现速度控制和电流调节的关键。电枢和励磁整流调节柜采用的是西门子公司6RA70全数字调速装置，晶闸管整流和电流闭环调节融在一体，应用了数字调节和数字触发技术，静态参数设置数字化，操作键盘化；动态参数自动优化；触发同步信号无需调整，采用自同步方式，触发脉冲对称精度非常高。速度闭环控制与励磁电流闭环控制共用一套西门子6RA70全数字调速装置，采用高精度和可靠性的脉冲编码器作为速度检测和反馈元件，速度调节静差小、精度高。
3.3 提升机控制系统以PLC控制柜为核心，包括司机操作台和检测、保护等设备或器件。PLC是控制系统的核心，它实现提升机的开车、加减速和停车控制，并进行行程监视，保证提升机的安全运行。
4 设备功能说明
电枢整流柜
电枢整流柜共两台，通过并联后为电机供电，如下图所示。电机两端电压Ud与每台电枢整流柜输出电压Ud接近；电枢电流Id为：Id=IdI+Id2
■
采用并联12脉动控制具有以下优点：①可以大大减少整流所造成的谐波对电网的“污染”，改善了电网侧电流波形，减小谐波分量；通过并联12脉动后，整流所造成的主要谐波由5次、7次，变成11次和13次，谐波量也有所减少。②可以减小无功冲击。③减少了直流脉动量，提高了直流供电质量。④提高了直流输出电压，为高电压的直流电机提供了更高的可靠性。 在两台电枢整流柜中，1#整流柜负责速度闭环调节控制、1#、2#整流柜有各自的电流闭環调节，电流给定信号都来自速度调节器的输出。
电枢整流柜电路图见SFD-LT（SHJ+DL），其中YA1为西门子6RA70全数字调速装置，包括晶闸管整流桥和电子调节板，1#整流柜的6RA70除作电流闭环控制外，还作速度控制，电流给定从装置之间的通信线传入，K4.3闭合时，装置进入运行状态，此时只要有电流给定，就会有整流输出。在1#整流柜中，速度给定信号由X174：4和X174：5输入，速度反馈信号由光电编码器的测速输出直接入X173。柜中RV1～RV4为交直流侧的过压保护元件，防止操作过压或雷击对晶闸管元件的破坏。
5 技术要求
5.1 直流变流调速传动采用西门子6RA70全数字晶闸管直流调速装置，磁场固定（可调），电枢可逆、四象限运行、并联12脉动供电；6RA70全数字晶闸管直流调速装置型号为：电枢6RA70，额定输入电压AC690V，额定输出直流电流2000A；励磁6RA70，额定输入电压AC400V，额定输出直流电流60A。
5.2 要求配置与现有运行系统相同，与现有运行系统互为备用，在短时间内能够完成转换，新柜与现柜主回路采用电缆连接。
5.3 能够实现速度闭环、电枢电流闭环和励磁电流闭环的全数字调节控制；实现电流限幅、数字触发、自动调整相位。
5.4 自动实现“S”形加、减速度给定曲线。
5.5 能实现速度无静差控制。采用轴编码器作速度反馈，静态调速精度在0.1%以内。
5.6 采用数字触发技术，自动控制晶闸管触发脉冲的相位。
5.7 采用无环流控制逻辑，实现提升机四象限运行。
5.8 具有自动化优化功能
通过参数设置，可以对下列内容进行自动优化：
①电流闭环参数。
②速度闭环参数。
5.9 在全数字调节装置出现故障信号时，应该具有故障存储和查询的功能，并对要求输出的故障可以进行输出。
参考文献：
[1]陈敬明.全数字直流电控系统在葛泉矿的应用[J].河北煤炭，2012（03）.
[2]刘畅，吕海清.全数字直流调速装置在矿井提升机电控系统中的应用[J].有色矿山，2003（02）.
[3]李静，韩为学.全数字直流电控系统在矿山应用实践[J].矿山机械，2002（08）.
作者简介：杨传名（1985-），男，江苏徐州人，助理工程师，研究方向为机电。
关键词：十二脉动 矿井提升机 行程控制 PLC控制 全数字
1 概述
矿井提升机作为井下与地面联系的咽喉，是矿山的关键设备之一，提升机起、制动频繁，调速范围广（一般在1：40左右），要求可逆提升。采用晶闸管供电的直流调速装置，可以很方便地实现上述目标，国内外直流提升机已普遍采用这种方式，尤其是数字技术的飞速发展，全数字式直流提升机电控系统已居矿山广泛应用，其性能和优点已得到普遍好评。作为矿井上下人员、材料的副井，提升机的安全稳定性和可靠性、高效性是重要的技术指标，直接关系到人员的生命及财产的安全。原提升机属国产大功率早期产品，模拟调速控制存在技术陈旧、故障率高、运行参数易受环境影响等问题，这些因素对提升运行的安全和生产构成了潜在威胁。因此，在设计上，采用了目前最先进的全数字直流调速整流技术，以及PLC无触点控制技术，在安全回路上采用双线制，保证安全回路动作的可靠性。
三河尖煤矿副井提升机型号为：JKM-3.25/4-I，其主要技术特征如下：
滚筒直径：3.250m 最大静张力：450KN
最大静张力差：140KN 变位质量：17300kg
钢丝绳结构：6V×34+NF 钢丝绳间距：300mm
导向轮直径：3M
减速器型号为：ZG-90II
减速比：7.35 最大输出扭矩：39000kg.m
最大输入转速：735r/min 重量：23780kg
直流电动机型号为：ZD-99/60
额定功率：1400KW 电压：660V
励磁他激电压：110V 电流：2240A
额定转速：500r/min 电流：47.5A
绝缘等级：B级 重量：17200kg
该电控系统已使用13年之久，虽经几次改造，但线路及继电器已严重老化，而且故障率高，调速性能也不稳定，已不能满足三河尖矿现有的提升任務。
随着计算机技术、数字电子技术的发展，尤其近几年可编程控制器的发展，其广泛地应用于工业现场控制领域，工业自动控制水平有了大幅度的提高，煤矿领域的机电自动化水平也有了很大的进步。安全是煤矿行业的“天字号”工程，为了切实保障煤矿的安全提升，煤矿装备了各种安全保护设施，各种监测监控系统，但是各种保护设施的增加，也提高了故障发生的机率，给维护人员增加了困难。
本课题采用现代的计算机技术、数字电子技术，利用可编程控制器控制绞车的运行，提高绞车提升的安全可靠性，实现绞车的全自动运行。
2 方案设计、设计原则
①安全性。系统的安全性是设计时应首先考虑的因素。安全问题是煤矿的头等大事，因此，一定要确保系统自身的安全：其应符合煤矿安全规程的要求，系统装备上尽可能实现人与物的本质安全。②可靠性。系统的可靠性是设计时应考虑的重要因素。一定要确保系统的灵敏可靠，不能出现错误的信息和动作，其系统的可靠性是安全性的重要保障。③科学性。系统的设计一定要科学合理，采用当前最先进的技术与方法，保证系统的科学技术先进性。④可用性。设计的全数字自动直流电控系统应便于安装、施工、维护；便于系统的功能扩展和容量扩展。⑤经济性。全数字直流电控系统软硬件的投资不应过高，应该经济合理可行，其应用应该带来一定的经济和社会效益。
3 电气系统组成
该提升机电枢回路采用了并联12脉动调节方案，一台主整流变压器副边有两套绕组，联结方式为D/d0-Y1，副边两套绕组电压相位差30°，分别送给两组整流柜，经均衡电控器进行变换和迭加后，在电机两端得到12脉动的直流供电电压。
3.1 以高压开关柜、低压配电柜为主体组成的高、低压供电系统，其功能是对主整流变压器和调节控制及PLC等回路供电，使系统具备工作条件。这些系统中配有必要的电压、电流测量、指示及保护等措施。
3.2 以电枢整流调节柜、励磁调节整流柜、主变压器、励磁变压器、平波电抗器、直流快速开关为主体组成的晶闸管变流设备，它是提升机的核心部分，是实现电流变换、进行能量传递、实现速度控制和电流调节的关键。电枢和励磁整流调节柜采用的是西门子公司6RA70全数字调速装置，晶闸管整流和电流闭环调节融在一体，应用了数字调节和数字触发技术，静态参数设置数字化，操作键盘化；动态参数自动优化；触发同步信号无需调整，采用自同步方式，触发脉冲对称精度非常高。速度闭环控制与励磁电流闭环控制共用一套西门子6RA70全数字调速装置，采用高精度和可靠性的脉冲编码器作为速度检测和反馈元件，速度调节静差小、精度高。
3.3 提升机控制系统以PLC控制柜为核心，包括司机操作台和检测、保护等设备或器件。PLC是控制系统的核心，它实现提升机的开车、加减速和停车控制，并进行行程监视，保证提升机的安全运行。
4 设备功能说明
电枢整流柜
电枢整流柜共两台，通过并联后为电机供电，如下图所示。电机两端电压Ud与每台电枢整流柜输出电压Ud接近；电枢电流Id为：Id=IdI+Id2
■
采用并联12脉动控制具有以下优点：①可以大大减少整流所造成的谐波对电网的“污染”，改善了电网侧电流波形，减小谐波分量；通过并联12脉动后，整流所造成的主要谐波由5次、7次，变成11次和13次，谐波量也有所减少。②可以减小无功冲击。③减少了直流脉动量，提高了直流供电质量。④提高了直流输出电压，为高电压的直流电机提供了更高的可靠性。 在两台电枢整流柜中，1#整流柜负责速度闭环调节控制、1#、2#整流柜有各自的电流闭環调节，电流给定信号都来自速度调节器的输出。
电枢整流柜电路图见SFD-LT（SHJ+DL），其中YA1为西门子6RA70全数字调速装置，包括晶闸管整流桥和电子调节板，1#整流柜的6RA70除作电流闭环控制外，还作速度控制，电流给定从装置之间的通信线传入，K4.3闭合时，装置进入运行状态，此时只要有电流给定，就会有整流输出。在1#整流柜中，速度给定信号由X174：4和X174：5输入，速度反馈信号由光电编码器的测速输出直接入X173。柜中RV1～RV4为交直流侧的过压保护元件，防止操作过压或雷击对晶闸管元件的破坏。
5 技术要求
5.1 直流变流调速传动采用西门子6RA70全数字晶闸管直流调速装置，磁场固定（可调），电枢可逆、四象限运行、并联12脉动供电；6RA70全数字晶闸管直流调速装置型号为：电枢6RA70，额定输入电压AC690V，额定输出直流电流2000A；励磁6RA70，额定输入电压AC400V，额定输出直流电流60A。
5.2 要求配置与现有运行系统相同，与现有运行系统互为备用，在短时间内能够完成转换，新柜与现柜主回路采用电缆连接。
5.3 能够实现速度闭环、电枢电流闭环和励磁电流闭环的全数字调节控制；实现电流限幅、数字触发、自动调整相位。
5.4 自动实现“S”形加、减速度给定曲线。
5.5 能实现速度无静差控制。采用轴编码器作速度反馈，静态调速精度在0.1%以内。
5.6 采用数字触发技术，自动控制晶闸管触发脉冲的相位。
5.7 采用无环流控制逻辑，实现提升机四象限运行。
5.8 具有自动化优化功能
通过参数设置，可以对下列内容进行自动优化：
①电流闭环参数。
②速度闭环参数。
5.9 在全数字调节装置出现故障信号时，应该具有故障存储和查询的功能，并对要求输出的故障可以进行输出。
参考文献：
[1]陈敬明.全数字直流电控系统在葛泉矿的应用[J].河北煤炭，2012（03）.
[2]刘畅，吕海清.全数字直流调速装置在矿井提升机电控系统中的应用[J].有色矿山，2003（02）.
[3]李静，韩为学.全数字直流电控系统在矿山应用实践[J].矿山机械，2002（08）.
作者简介：杨传名（1985-），男，江苏徐州人，助理工程师，研究方向为机电。