提升機(jī)電氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的改造

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引言

為了與綜采工作面的生產(chǎn)能力及地面生產(chǎn)需求相匹配，一般情況下提升機(jī)處于運(yùn)行的狀態(tài)，其耗電量極高。為了響應(yīng)國家綠色生產(chǎn)的號召，煤礦綜采工作面的生產(chǎn)也對綜采設(shè)備的安全性和節(jié)能效果提出了更高的要求。本文將對某礦當(dāng)前提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上對當(dāng)前電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，而且達(dá)到煤礦提升機(jī)節(jié)能的效果。

1課題背景

目前，應(yīng)用于該礦的提升機(jī)為單滾筒立井提升機(jī)，該提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)備相對落后。無法實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警；該提升機(jī)的保護(hù)功能不符合《煤炭安全手冊》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；該提升機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中噪聲較大、耗能較高[1-2]。為了提升該礦提升機(jī)的生產(chǎn)能力、豐富其功能、降低其功耗，本文將對其進(jìn)行改造。

2提升機(jī)電氣自動化系統(tǒng)的改造

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對頻繁且應(yīng)用范圍相對廣泛，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動、變頻調(diào)速、過載保護(hù)、過流保護(hù)功能[3]。變頻調(diào)速原理如式（1）所示：n=60f（1-s）/p.（1）式中：n為提升機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，f為提升機(jī)電機(jī)的頻率，s為提升機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p為提升機(jī)電機(jī)的極數(shù)。由式（1）可知，通過調(diào)整電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)[4]。實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)的變頻調(diào)速是礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的主要功能之一，而實(shí)現(xiàn)這一功能的核心元器件為變頻器[5]。因此，礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的控制效果在一定程度上由變頻器決定，即變頻器在電氣控制系統(tǒng)中的選型極為關(guān)鍵。提升機(jī)電機(jī)的額定功率為110kW，定子電流為236A。在查閱變頻器選型手冊和相關(guān)選型依據(jù)的基礎(chǔ)上，最終方案中所選的變頻器型號為ACS800-07-0550-7，并根據(jù)控制需求完成對變頻器主線路的接線、PLC控制信號與變頻柜的連接以及變頻器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。提升機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)的核心為PLC控制器對提升機(jī)速度的變頻調(diào)速，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性尤其重要。以往對提升機(jī)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)的算法為PID控制。為了對提升機(jī)速度的理想控制效果，將模糊控制理念應(yīng)用于PID控制器中，形成了模糊PID控制器。模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于對其中三個(gè)環(huán)節(jié)中的GkP、GkI以及GkD參數(shù)的確定。變頻調(diào)速模塊由異步電機(jī)矢量控制所實(shí)現(xiàn)，為了達(dá)到理想的控制效果，需選用恰當(dāng)?shù)目刂破鳌Ｄ壳埃I(yè)中選用的控制器大部分為PID控制器。基于相關(guān)PID控制理論根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)基于Simulink軟件建立對應(yīng)的仿真模型，對GkP、GkI以及GkD三個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)后整定，三個(gè)參數(shù)的取值分別為：GkP=0.002；GkI=0.35；GkD=0.05。

3變頻調(diào)速控制效果分析

經(jīng)改造后期電氣自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對提升機(jī)平穩(wěn)調(diào)速，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，經(jīng)改造后系統(tǒng)的提升量得到了顯著的提高，從一定程度上提升了該礦提升機(jī)的生產(chǎn)效率，為提高整個(gè)工作面的生產(chǎn)效率奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，改造后的系統(tǒng)用電量得到了明顯了縮減，具體如表1所示。分析表1可知，提升機(jī)電氣系統(tǒng)改造后每提升1t的煤炭到地面消耗2.5kW•h的電能，較改造前節(jié)約0.74kW•h的電能。經(jīng)改造后提升系統(tǒng)的提升量由之前的26t/次提升為當(dāng)前的29.5t/次，且提升等量煤炭時(shí)系統(tǒng)的電流值由之前的800A縮減為當(dāng)前的735A，單次提升所耗時(shí)間為82s，即提升循環(huán)時(shí)間為82s。按照每天工作16h計(jì)算，則改造后每天提升量增加（29.5-26）×（3600÷82）×16=2458.54t。為驗(yàn)證模糊PID控制效果，本文對提升機(jī)在加速階段速度的變化情況進(jìn)行仿真分析。將模糊PID理念應(yīng)用于對提升機(jī)變頻調(diào)速的控制中能夠?qū)崿F(xiàn)對速度的平穩(wěn)控制，系統(tǒng)的動態(tài)性能較為優(yōu)越，能夠在7s內(nèi)完成對提升機(jī)速度的調(diào)整，且在調(diào)整過程中無超調(diào)。

4結(jié)論

礦井提升機(jī)作為綜采工作面的主要提升設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)對煤炭、物料以及人員的運(yùn)送。為了提升提升機(jī)的效率，降低其能耗，將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于其電氣自動化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)的實(shí)時(shí)平滑調(diào)速。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)可知，改造后提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)提升每t煤炭時(shí)降低0.74kW•h的電能；滿載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)能耗與之前降低8%；啟動階段的能耗降低20%；提升系統(tǒng)的循環(huán)周期降低3s。可見變頻調(diào)速系統(tǒng)在提升機(jī)電氣自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效降低能耗并提升其提升效率。

參考文獻(xiàn)

[1]閆桂生，王濤.煤礦提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)改造[J].煤礦安全，2000，31（10）：16.

[2]魏琳.煤礦提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)化研究[J].通信電源技術(shù)，2018，35（4）：73-74.

[3]張益瑞.煤礦提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)改造研究[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2016（9）：34-36.

[4]王安山，牛秀金，劉竟雄.礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展[C]//全國煤礦自動化學(xué)術(shù)會議論文集，2007.

[5]孫社民.淺談煤礦提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)改造[J].山東煤炭科技，2014（10）：116-117.

作者：田峰 單位：山西山煤國源煤礦安全技術(shù)有限公司