绞车变频改造方案

十二、低压绞车变频电控技术方案一、 概况矿井绞车是煤矿生产过程中的重要设备。绞车的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。井下采煤，采好的煤通过斜井用绞车将煤车拖到地面上来。双滚筒绞车在井口，由电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，电机总是处于电动状态。这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电机的转速有一定规律变化。斜井绞车的机械结构示意如图1所示。斜井绞车的动力由绕线式电机提供，采用转子串电阻调速。图1 绞车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，传统斜井绞车普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器交流接触器控制。这种控制系统缺点如下：1. 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，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。2. 绞车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。3. 绞车频繁的起动调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗。4. 这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；5. 低速时机械特性较软，静差率较大；6. 电阻上消耗的转差功率大，节能较差；7. 起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；8. 中高速运行震动大，安全性较差。9. 自动化程度低。二、改造方案1、执行技术标准和规定提升机电控系统符合下列文件的规定和基本要求：1)煤矿安全规程2)金属非金属地下矿山安全规程3)矿井提升机和矿用提升绞车 安全要求4)交流传动矿井提升机电控设备技术条件。5)矿用一般型电气设备6)外壳防护等级的分类7)冶金矿山安全规范。8)矿山电力设计规范。9)工程过程测量和控制装置的电磁兼容性。10）现行国家电工委员会及其它有关标准，进口电气设备遵守国际电工委员会（IEC）标准。2、具体实施方案：矿井绞车变频调速方案如图2所示：图2 矿井绞车变频调速方案1) 操作台：日本三菱双PLC配进口触摸屏、其它电气元件为西门子,操作手柄为日本思博型，继电器为西门子。主控台由两台PLC、电源模块、CPU模块数字量I/O模块、模拟量I/O模块、高度计数模块等硬件组成，输入输出口留有一定余量。2) 低压开关柜：双回路进线，为设备系统供电，并为室内照明及检修等供电，采用西门子系列双PLC双线制控制.3) 低压变频柜: 核心部件为西门子70系列全数字矢量控制型变频调速装置、外部检测及输入输出控制电器、控制信号及端子组成。变频调速装置本身具有过压、欠压、过流、过负荷、缺相、超温等保护。绞车传统的操作方式为，操作工人坐在煤矿井口操作台前，手握操纵杆控制电机正反转各五档速度。为适应操作工人这种操作方式，变频器采用多段速度设置，S1、S2设为正反转，S3、S4、S5可设多档速度。4) 制动电阻柜：由制动单元和制动电阻组成。制动柜的作用是电动机处于发电制动状态时，能耗散大部分能量。5) 液压站：带比例阀调压。 6) 轴编码器：装于主轴传动装置上的轴编码器在提升机运行时发出和行程相一致的脉冲，根据设计速度图，PLC将行程脉冲数学运算得到相应的给定速度曲线。PLC还对编码器的脉冲进行0.1秒的取样，得到提升机的实际运行速度，这样经过PLC的PID调节功能模块，通过数字运算和比较给出工作闸及主令控制的闭环调节数据，再经模拟输出模块将数字量转换成模拟量给以输出，控制液压站电液调节阀及变频器所需要的控制信号。为显示运行时车厢的位置，使用日本欧姆龙旋转编码器，即电机旋转1圈旋转编码器产生40个脉冲，这样每两个脉冲对应车厢走过的距离为1200。则与实际距离的误差值为4-3.9=0.027mm，卷筒运行一圈误差为0.027，假若钢丝绳长度为120m，如果两个脉冲对应车厢走过的距离用近似值3.9mm计算，120m全程误差为。 再考虑到实际检测过程中有一个脉冲的误差，则最大的误差在821mm829mm之间，对于数十米长的车厢来说误差范围不到1米，精度足够。因此，用PLC和触摸屏实时统计旋转编码器发出的脉冲个数，则可计算出车厢的位置并用显示器显示。另外一个问题是计数过程中有无累计误差存在？实际检测时，在一个提升过程开始前，首先将计数器复位，第一个车厢经过某个位置时，打开计数器计数，车厢在斜井中的位置以此点为基准计算，没有累计误差。7) 矿用本质安全型语言信号箱、提升信号系统。8) 多种安全保护设备及配件：转速传感器、温度传感器、深度指示器失效保护装置、二级过卷保护开关、松绳保护装置、闸瓦磨损保护器、闸瓦磨损保护器、弹簧疲劳保护器、闸瓦偏摆装置、压力传感器、UPS不间断电源等提供了多种保护功能。三菱系列PLC有多种功能模块，组合灵活方便，而且CPU有较强的数学运算功能、PID功能和数据传送功能有关器件都有一系列强大功能，对完成交流矿井提升机所必须的开关量和模拟量控制既轻松又方便，更重要的是不论何种原因造成PLC故障包括一般故障和致命故障，除有故障表通过编程器来显示外，对致命故障（主要为CPU故障）PLC置位停止运行，对提升而言即为安全制动，而不会使事故扩大，故PLC处于高可靠无故障运行，使系统更加安全。 系统和速度闭环调节是数字化的，由PLC的内部PID调节功能实现速度的闭环调节，参数由软件数字化设定，所以调节简便，准确度高而且永不会变化。根据需要，随时更改控制参数也非常方便。系统运行时PLC上的输入输出模块均有相应的LED指示灯动态显示各口的输入输出状态，便于现场查找PLC外部接点故障。电机采用佳木斯变频电动机，变频器采用西门子70系列变频器，该变频器为矢量控制型变频器，主回路功率单元模块设计，维护简单。节能效果显著；具有完整的保护机制，包括短路、过压欠压、过流、过热等保护；具有良好的转矩特性，启动力矩大于2.2倍的额定转矩，制动力矩大于额定转矩，6Hz时的低频力矩大于1.6倍额定转矩。绞车的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，由于绞车电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， 起动时当变频器的输出频率达到设定值，例如0.2Hz，变频器OF、OP端口输出信号，表示电机转矩已足够大，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0.2Hz时，表示电机转矩已较小，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，使绞车在尽量短的时间内停车。三、改造后的效果： 1) 实现电机软启动、软停车，减少机械冲击，使运行更加平稳可靠。减少对电网的冲击简化操作，降低工人的强度。运行速度曲线成S形，使加减速平滑，无撞击感。实现对调速系统行程速度给定的控制，自动减速保护，停车时自动抱闸停车。主控PLC能完成手动、自动、紧急制动等运行方式的控制要求。绞车经过变频调速改造后，系统的工作过程有很大的变化。操纵杆控制电机正五挡速度，反转五段速度。不管电机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电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，绞车工作时序图如图4所示。图4 绞车工作时序图2) 安全保护齐全，具有过卷、过速、过负荷及失压、限速、深度指示失效、闸间隙、松绳、减速功能、满仓、 弹簧疲劳、液压站油压高、测速断线、信号闭锁、正反向联锁、防倒转等保护。3) 冗余化设计：采用性能优越的西门子S7-300可编程控制器作为主要控制器件，两套PLC相互冗余，构成安全回路双线制。操作和安全保护系统选用两套可编程控制器，实现双线控制控制方式，对提升机运行关键信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等）均采用多重保护。PLC操作控制系统能完成提升机手动、自动及紧急控制等各种运行方式的控制要求。控制系统根据提升容器的位置与去向，自动选取最大的运行速度，提高系统的效率。要求安全回路采用软硬件冗佘设计，关键环节具有三重或多重保护。如过卷、超速等。确保矿山设备的高效、安全动转。4) 现场总线技术：仅用一根屏蔽线即可完成通讯功能，实现了控制的智能化。省去了大量的控制接线，具有安装高度简单，使用维护方便等优点。5) 全数字化设计：将轴编码器应用于提升机电控，实现数字化行程、速度、给定等数字化控制，其中数字化的主令控制器和手闸控制器具有控制准确、操作方便、故障率低等特点。6) 强大的软件功能：本系统运用软件化的设计思想，应用软件实现了许多精确的控制功能，减少了大量的硬件，提高了系统的稳定性和可靠性，减少了系统中大量的硬件故障。7) 抗干扰设计。必要的硬件、软件的抗干扰措施（隔离、滤波，合理的结构及布线），确保整个系统不受电磁干扰，供电电源的干扰，并对其他设备不产生危害性的干扰。8) 工业控制人机界面：采用进口彩色触摸屏电控系统，显示绞车的各种静、动态参数，如运行工况、深度、速度、数字显示、模拟深度显示及各种开关量的狀态。此外显示屏中设置了故障记忆和故障查寻，以便查寻提升机的故障状态和故障原因，并有专门故障表记忆故障日期、时间，显示提升机给定速度图、实际速度图、动态梯形图以及提升次数等。触摸屏要求具有以下功能：a) 主画面设有模拟深度批示，数字深度指示，信号回路故障显示，安全回路故障显示及主要电气元件动作状态显示。b) 第二画面将显示提升机运行的实际速度曲线和给定速度曲线。c) 第三画面显示历史故障记录。d) 第四画面可动态显示PLC内的安全回路和信号回路的梯形图，便于查用户查找这两个关键回路有关接点故障。e) 第五画面用汉字说明使用触摸屏中的注意事项。9) 具有二级制动功能：UPS電源不间断电源为控制回路供电，一可保证系统电磁兼容性指标的实现；二是如果发生突然停电，保证了二级制动的有效性。10) 语言报警 ：本系统设计了安全回路控制接点动作记忆电路，一旦安全回路动作，引起动的各种故障被记忆下来，并连续不断地用语言播放故障位置，有效缩短了故障的查找时间。11) 多种运行方式：提升系统能完成提升机手动、自动、检修、故障开车等各种运行方式的控制要求。手动：司机根据信号系统情况，通过速度给定器件控制提升机在额定速度以下任意速度运行，自动减速，自动准确停车，同时受到行程控制器的限制。自动：在自动运行逻辑具备条件时，控制系统根据系统情况自动完成一个提升循环，并具备安全联锁。司机起监视作用，可以干预停车（非意外情况）或紧急停车。检修：检修速度：0.30.5m/s，检修时手动开车。慢动：自动时，要求所在中段（水平）的信号工直接控制提升机慢上、慢下及换层控制，手动时只能由司机操作。在任何运行方式下，巡检可通过急停按钮或脚踏开关实施急停操作。12) 符合国家节能減排的政策。13) 西门子70系列变频装置的过载能力大于电动机的过载能力。确保任何负载下能满足所有安全运行要求。四：多种安全保护功能根据JB8516-1997安全回路设计应为双线冗余制的规定，系统采用双PLC加硬安全回路继电器真正实现“双线制”冗余控制和安全保护。对安全回路、等速超速、减速超速、过卷等重大故障均采用软硬件冗余设计和多重保护。当系统出现重故障时，PLC程序中的安全回路被断开，作用于安全继电器并执行二级制动或紧急制动（一级制动）。PLC程序中的进入安全回路的接点有：1、主电源断电保护2、变频器故障保护；3、编码器故障保护；4、错向运行保护；5、过卷保护；6、液压站过压保护；7、等速段超速保护；8、减速段超速保护；9、爬行段超速保护；10、操作台上的急停按钮及信号急停保护；11、松绳保护12、深度指示器失效保护；13、限速保护；为提高安全回路动作的可靠性，上述的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等接点除进入PLC组成软件安全回路外，还直接作用于硬件安全回路。当系统出现轻故障时，应能完成当次开车，下次不能开车，轻故障的主要接点有：1）、制动油温过高保护；2）、润滑油温过高保护；3）、制动油、润滑油欠压保护；4）、闸瓦磨损保护；5）、抱闸失灵保护6）、弹簧疲劳保护；其它联锁保护1）、减速功能保护；2）、零位保护；3）、误松闸保护；4）、调闸联锁保护；变频调速系统具有以下功能1）、具有主回路过压、欠压、过流保护；2）、具有测速反馈故障保护；3）、具有有加、减速过程防冲击的S形曲线；4）、具有速度及电流双闭环控制；5）、具有参数的显示及调整通过菜单指示设定；6）、具有转矩及电流限幅功能；7）、具有装置本身自监控与自诊断并有告警功能；绞车位置的行程和速度检测1、系统满足行程和速度检测范围，检测精度不低于0.02m，并具有：a）数字深度及速度显示。b)模拟图形显示。2、具有故障状态记忆功能安全制动（二级制动）或紧急制动（一级制动）停车时，在人机界面上能记忆并显示故障时绞车的位置和速度及故障发生的原因及时间3、具有断电记忆功能系统断电时，之前的设置参数和绞车的位置、状态等能被存储，以至于恢复供电时，所存储的内容能被自动恢复。五、 变频改造后经济效益分析1 变频器在低速运行时节能比较明显，由于绞车在井口及井底都处于低速运行，根据现场情况，一般设置井底低速区和井口底速区长度分别70100M左右，因此低速运行距离大约在140200M，根据坡长的不同，其低速段占30%左