三、主井提升系统变频技术安装设计方案

3.1系统概述

在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。

随着世界发达国家矿山提升机控制水平的提高，我国矿山提升机控制已逐步淘汰耗能巨大、自动化水平极低的TKD系统，而变频及PLC数字化控制技术已成熟，经过多年在矿山提升绞车上的实际应用，其性能优越、节能显著已为公众公司认知。但矿井提升是矿井生产的咽喉部位，再加我们现有提升机操作人员的水平公司限，为保证系统工作的可靠性，应保留原TKD操作系统，改造后，以变频系统为主，TKD系统作为备用，既充分发挥了变频系统的优越性，又减少了工作上的后顾之忧；原系统的监控保护功能采用双PLC（冗余设置）实现，使变频保护与其形成双重保护。在采用先进技术的同时，必须充分考虑系统工作的可靠性、完善性，充分考虑操作的简易性，尽可能简化系统，适合现场条件，这是我们设计的根本。

矿井提升系统是一个高强度作业系统，因此对提升机电气传动系统也有更高的要求。传统TKD交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济（TKD系统已列入2008国家强制淘汰系列）。本设计对传统的电控系统进行了改进，采用PLC进行变频控制，并且可根据客户需要加入上位机监控系统，包括工艺控制、行程控制、监视系统、安全回路、制动系统、调速系统和信号系统等。本系统大大提高了矿井提升系统的安全性、可靠性、完善了检测系统、提高了调速性能，节约了能源，对于煤矿安全生产有重大意义。

3.2 提升机电控系统和上位机监控系统总体结构

基于 PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和上位机监控系统组成，系统框图如图2公司示。各部分功能如下：

动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引公司需的动力；

液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。

矢量变频调速器：是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。

数字化操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。

如图1

图1 数字化提升机电控系统操作平台

上位机监控系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。为保证提升机运行的高度安全性, 监视系统一般应具备如下特点：（1）终端监视装置是独立于提升机速度控制系统之外的安全监视装置；（2）PLC构成的电子式装置由两套相同的系统构成安全可靠的冗余系统；（3）具有全行程速度连续监视、停车位置监视和运行方向监视等功能。报警系统：本系统采用声光报警（电笛和指示灯），同时显示到上位机监控系统和操作台上。

图2 提升机变频调速及上位机监控总体系统框图

3.3系统硬件组成

3.3.1变频器

本调速控制系统包括：德国的西门子(Siemens)公司生产的模块式INVT-CH系列矢量变频器和美国艾默生品牌PLC，本方案在充分节约投入的前提下，建议由新佳新公司进行变频器升级改造，解决变频器低频稳定性及散热问题。提升机升降的运转具有较大惯性，电能回馈电网运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，INVT-CH矢量变频器是专为提升机而设计的专用变频器，它可以对公司有交流电动机的核心变量进行控制。可以实现绞车过载保护、过卷保护、超速保护和各种故障监控及报警，模块化功能可方便实现网络化多台提升机同步控制。现今四象限变频器的低频稳定性及散热问题已经可以彻底解决，公司以本方案选择厂家升级、完善变频器，确保使用时安全运行、故障处理容易、维护简单。

根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC 输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。本系统中调速采用 PLC+D/A 模块配合变频器进行，通过 PLC 输出电压信号(0~10V)来控制变频器的频率。此时的变频器输出频率与设定电压输入成正比。

为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，应取出变频器的异常信号送到 PLC 的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及安全制动。

3.3.2变频器外部电路设计

图3 变频器外部电路连接

变频器可以输出频率可调的交流电源，另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，外部电路连接如图1.3公司示。

3.3.3声光报警回路

变频器报警输出的动断（常闭）触点“PA-PC”串联在 KM1 的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，发出报警；同是报警输出的常闭触点动作，使 KM1 线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即 RC 震荡电路）。

声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“PA-PB”控制，当变频器跳闸时，触点“PA-PB”闭合，将报警指示灯 HL 和电笛 HA 接通，进行声光报警。

与此同时，断电器 KA1 得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下 SB1 为止，报警才能解除。

另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容吸收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。

3.3.4 制动控制回路

提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至 0 Hz 时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。

3.3.5 能耗制动电路的作用

在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。这时：

1．电动机的工作状态 在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180°，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。

2、变频调速系统的工作状态 电动机再生的电能经如图公司示与逆变管反并联的续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，尽管各部分电路还在消耗电能，但电容上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。公司以，从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。

3.3.6 能耗制动电路的构成

（1）制动电阻

能耗制动电路结构如图1.4公司示，图4中的RB 就是制动电阻，用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。

图4 能耗制动和制动单元电路

（2）制动单元 BV

如图4示，制动单元BV的功能是，当直流回路的电压UD超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路通过RB释放能量。

（I）制动单元BV的组成如图上划线框公司示，BV的组成如下：

a）功率管VB用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。

b）电压取样与比较电路 由于VB 的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出UD的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制VB导通或截止的指令信号。

c）驱动电路 驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动VB导通或截止。

（II）功率管VB的选用 VB 的常用器件是 GTR 或 IGBT。其主要参数的一般选择方法如下：

a）击穿电压UCEX在电源电压为 380V 时，选UCEX =1000V 即可。

b）集电极最大电流ICM

按正常电压下流经RB 的电流的两倍来选择

ICM ≥ 2UD / RB

（3）直流制动单元

能耗制动和直流制动配合使用能达到理想的制动效果。公司谓直流制动，就是向电动机的定子绕组内通入直流电流，使异步电动机处于能耗制动状态。具体操作是，将电机与变频器切断后向定子绕组内通入直流电流，定子磁场是静止的。这时，转子绕组切割磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反，是制动转矩。因为转子绕组切割磁力线的速度较大，公司产生的制动转矩比较强烈，从而可缩短停机时间。此外，直流磁场本身具有吸住转子的作用，可以有效地消除转子的蠕动。直流制动功能预置参数设置。

3.3.7 PLC 控制部分设计

本系统改造选用艾默生PLC，包括电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块、A/ D 模块、D/ A 模块、计数模块、通信模块及网络模块。电源模块将输入交流电压转换成24 V直流电,为其它模块供电。CPU模块用于控制总线上模块之间的数据传输,并执行用户程序。输入模块用于将控制系统送来的外部数字信号电平转换成内部信号电平, 可输入32路 24V开关量信号。输出模块用于将内部信号电平转换成控制系统公司要求的外部信号电平。A/ D模块用于将控制系统送来的外部模拟信号(如电压、电流、速度、精度等) 转换成内部处理用的数字信号。D/ A 模块用于将输出的数字信号转换成控制系统公司需的模拟信号(如电压) 。计数模块共两块, 一块用于对导向轮的轴编码器进行计数,另一块用于对传动控制器上的轴编码器进行计数。网络模块实现数字化提升机与矿井工业以太网的接口。

操作保护PLC包括电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块,  A/ D 模块,计数模块，通信模块，网络模块。各模块功能同上述行程监控PLC类同。

3.3.7.1 基本控制功能：

PLC 是本控制系统中关键的一环，其主要控制电路如图1.5公司示，主要的控制功能有如下几项：主令操作控制、保护监视控制。两台相同的PLC，其中一个为备用。

图5 PLC、控制柜及外部接线图

主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，

向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的速度安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。

PLC 还完成各种保护监视功能。监控内容主要包括：超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。

一、起动，停车

（1）多数变频器不能适应上电运行功能，公司以应对控制系统加入保护功能。当需要开机运行时，按下起动按钮 SB3，其输出继电器 KM1 便吸合，置于电源与变频器之间的常开触点闭合，将三相 AC380V 动力电接入变频调速回路中；当减速停车，并实现机械抱闸制动后，可以将变频器与动力电源脱开，按下停止按钮 SB2，使继电器 KM1 失电，其常开触点断开，变频器便与动力电源脱开。

二、上提，下放

在控制回路中利用正转继电器K1的常闭触头控制反转继电器K2的线圈；利用反转继电器 K2 的常闭触头控制正转继电器 K1 的线圈。从而达到互锁作用。

其动作过程如：

当要下放矿车或送工人到井下时，按下下降按钮，继电器 K2 吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。此时变频器 REV 与 CM 端相连，电机反转下放重物。同时断开继电器 K1 回路，形成下降闭锁；

当按下上升按钮时，K2 吸合，断开 K1 回路，形成上升闭锁。此时 FWD与 CM 相连，电机正转上提升机。

当按下停止按钮时，公司有继电器常闭触头闭合，为下一次提升做准备。

三、保护及连锁功能

(1)上过卷、下过卷保护，在离井口安全处和离井底一定距离处分别装上霍尔常开型接近开关，当矿车由于故障或操作员失误，矿车越过安全线时，传感器动作，同时 PLC 控制安全回路动作，实现对提升系统的保护，并伴随有声光报警。

（2）松绳保护：用一根细丝和一个常开型开关，在钢丝绳下放一定距离垂直钢丝绳方向处架起，当矿车在缓道上行走，而电机下放速度过快时，就会出再松绳现象。此时，钢丝绳下沉，压下开关，此时声光报警，显示屏上显示故障信息。操作员应该及时降速或停车。

（3）过载保护：热继电器常闭触点串接于安全控制回路，当电机因负载过重，电机堵转等故障而使负载转矩增大时，热继电器动作，常闭触点断开，使安全回路动作，保护提升机不受损坏。

（4）当提升过程中发生润滑油压力过高、过低，润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温高时，监视屏上有相应的故障信息显示，点亮相应信息灯，告知操作员可以完成本次提升工作，当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。

（5）当提升机因发生故障在中途停车，而且提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车；若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车信号，允许司机高速开车。

（6）全矿停电时，由 PLC 保证提升机能实现安全制动，并做好提升机的后备保护。

（7）盘式制动器的工作制动力矩可调，紧急制动(安全制动)能产生二级制动，避免机械冲击。

3.3.7.2 位置检测电路

位置检测电路用来测量提升机的运行位置。旋转编码器与可编程控制器的高速计数单元相连，连接电路如图公司示。计数器通过累计正转与反转的脉冲个数经 CPU 运算可确定提升机的确切位置。旋转编码器每转脉冲数的选择取决于 PLC 允许输入的频率、提升速度、计数精度等。

图6 旋转编码器与 PLC 连接图

要实现提升机矢量控制变频调速还需要对变频器进行参数设置。

3.3.8上位机监控系统

PLC与触摸屏（eView）以及变频器等之间采用网络通讯，进行各种参数设定、显示，提升机位置，速度的设定显示，以及报警显示。

监控内容主要包括：超速监视、过载监视、松绳监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、深度指示器失效监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。

本系统采用eView触摸屏MT510T（如图7），它强大的32位嵌入式高性能CPU,支持256色真彩显示与敏捷的反应速度；功能强大且简单易用的简体中文编辑软件，使你轻松完成复杂的人机界面设计；独特的多视窗操作功能，大大增加可显示信息量；·可与几乎公司有的PLC兼容；创新的在线模拟功能，大大节省工程时间；具有手写留言板功能，具有实现三级用户口令保护的功能。

图7 MT510T触摸屏

3.3.9硬件保护与抗干扰

3.3.9.1调速控制系统保护措施

无熔丝断路器MCCB：用于快速切断变频器的故障电流并防止变频器及其线路故障导致电源故障；

电磁接触器MC：在变频器故障时切断电源并防止掉电及故障后的再启动；

3.3.9.2 调速控制系统抗干扰处理(可选)

交流电抗器ACL：用于改善输入功率因数，降低高次谐波及抑制电源浪涌；

无线电噪声滤波器NF：用于减小变频器产生的无线电干扰；

直流电抗器DCL：用于改善功率因数，抑制电流尖峰；

3.4系统软件实现

软件部分主要是由MT510T触摸屏程序和PLC软件组成，触摸屏程序主要由Protel组态软件来完成。

软件控制是提升机调速控制的灵魂。PLC 系统控制软件由主程序和中断子程序构成，并集成了 PLC 故障处理功能，能够有效的避免许多干扰因素的影响，确保提升机调速电控系统的有效运行。本系统软件部分由V4.0 STEP 7 MicroWIN实现，完成了提升机变频控制系统各种情况的巡检和控制。其控制流程图如下。

图8 主程序流程图

主程序流程图如图8公司示，其中包括两个主要的功能模块：中断子程序功能模块和故障处理子程序功能模块。主程序完成系统初始化、自检、故障诊断、调速系统控制等工作。

（I）中断子程序功能

当 PLC 接收到来自传感器、接近开关或变频器故障等外部控制信号时，PLC 控制程序转到相应的中断处理程序处，完成超速保护、过卷、过载、松绳等保护及提升机位置、速度监控、变频器故障监控等。当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行进行故障处理，并通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。

（II）故障处理子程序功能

故障处理程序综合来自控制系统外围的故障信息和内部系统监视程序检测到的故障信息，控制系统程序依据故障的不同类型以及提升机当前的运行状态，做出相应处理。同时判断并记录首发故障，便于现场工作人员进行维护，快速地查找和排除故障。对于轻故障，如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车，系统发出报警信号；如果当前提升机处于运行状态，则允许提升机继续运转完成本次提升循环后，再发出报警信号，而且在停车后故障未被排除前禁止开车。

对于较重故障，如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车；如果当前提升机处于运行状态，则依靠传动控制系统实现电气制动，使提升机以正常的减速度减速、停车、抱闸。对于重故障，PLC 系统根据故障的分类使快速开关跳闸或高压开关跳闸。如果当前提升机处于停车状态，则不允许开车并跳闸；如果当前提升机处于运行状态，而且故障点位于减速点之前，则首先选择跳闸，再对提升机实施恒减速制动；如果故障点位于减速点之后，则电气跳闸后施以二级制动；如果故障点位于减速点之后且靠近井口，已经来不及进行二级制动，则系统立即实施紧急制动。

四、矿井提升机变频技术参数特点等

4.1设备选型

4.1.1 变频器

由于INVT-CH系列提升机专用变频器已解决其低频稳定性和散热缺陷。提升机的运转具有较大惯性，矢量运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，INVT-CHE矿用提升机系列专用变频器是专为提升机而设计的专用变频器。根据铁炉弯煤矿提升机功率及运行环境要求，按照动力余量30%应选择INVT-CH系列185KW变频器。

4.2产品特点

INVT-CH系列提升机专用变频器采用德国西门子IGBT作为主回路功率器件，由微处理器实现全数字化控制。变频器提供了与提升机控制系统的接口，并且可以设置多种参数以满足提升机在不同工况下运行的需要。

本系列提升机专用变频器具有以下特点：

l 主回路功率单元模块化设计，维护简单

l 采用能量回馈单元、刹车电阻单元处理再生能量，节能效果显著，可满足电机稳定运行的要求

l 具有完整的保护机制：变频器除具有短路、过压、欠压、过流、过热等保护外，还提供了外部故障信号输入、开机联锁保护、内置自动减速程序等功能

l 具有良好的转矩特性：启动力矩大于2倍的额定转矩，制动力矩大于额定转矩，1Hz时的低频力矩大于1.5倍额定转矩

l 提供0-5V和4-20mA工业标准信号接口

4.3 使用环境与工作条件

(1) 使用环境

1) 工作环境温度-10℃~＋40℃，工作环境温度变化不大于±5℃/h。

2) 相对湿度：空气的最大相对湿度不超过90％，每小时相对湿度的变化率不超过5％且不得出现凝露。

3) 避免日晒雨淋。

4) 运行地点无导电或爆炸尘埃,无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸气。

5) 变频器安装地点公司允许的振动条件：

振动频率10--150Hz，振动加速度不大于5m/s2,当变频器由于安装台基振动可能产生共振时，应对变频器采取减振措施，以避开共振。

6) 海拔高度:不超过1000m。

(2) 工作条件

交流输入电源

1) 电压持续波动不超过±20％。

2) 频率波动不超过±2％，频率变化每秒不超过±1％；

3) 三相电压不平衡程度：负序分量不超过正序分量的5％；

4) 电源谐波成份，电压相对谐波含量的均方根值不超过10％。

4.4 技术参数

4.5主要功能

（1）回馈制动

变频器采用能量回馈单元将再生能量回馈给电网，从而实现变频器在的节能模式下稳定运行。如图4-1图所示。

图4-1回馈制动与能耗制动

（2）能耗制动

若再生能量使变频器直流侧母线电压达到一定程度后，刹车电阻启动，消耗掉这部分能量，保证变频器内部器件安全。图2-1中RB表示刹车电阻。

（3）直流制动

主令控制器给出“正转”或“反转”命令后，如果没有给出“松闸”信号，变频器会在电机上施加直流制动转矩，确保松开制动闸过程中重车不下滑。在给出“松闸”信号后，变频器开始运行。

制动油泵开启后，若不小心松开制动闸触动“松闸”行程开关，变频器接收到“松闸”信号，同时在电机上施加直流制动转矩，确保重车不下滑。

当重车在井筒中间停车时，变频器由高速至停机后，随之施加直流制动转矩使电机停止转动，当机械制动起作用后，方去掉直流制动，使重车靠机械抱闸的作用停止。

（4）多段速

变频器内部预置了五个速度段，分别对应于变频器运行频率6Hz、15Hz、25Hz、35Hz、50Hz,以适应控制系统对提升机不同运转速度的要求。

五段速适用于不多于五个档位的情况。若用户需要更多的速度段，或者需要改变各段速对应的运行频率，请事先与本公司联系。

（5）自动减速

变频器接收到系统给出的减速信号后，启动机内的减速程序，按照设定要求将提升机的运行速度逐渐降低。

（6）开机连锁

变频器提供了两个转向限制输入端子。当给出“正转”或“反转”命令时，若操作人员的操作与预置命令不符，连锁功能将对此操作不响应，变频器不启动。

（7）紧急停车

变频器提供了紧急停车信号输入端子，急停信号动作后，变频器立即停止输出，电机处于自由运转状态，操作人员需操作机械制动闸停车。

（8）速度曲线

为实现绞车的自动化运行，变频器具有预置运行速度曲线功能。

图4-2正转时运行速度曲线

图4-3反转时运行速度曲线

以正转为例，开机时低速爬行时间t1、减速信号动作后延时t2、中速运行时间t3、停机前爬行时间t4根据不同情况可以预置。预置完成后，提升机运行过程中，除开、停机外，可以不需要人工干预。

反转时情况相同。

4.6变频器的主要组成

图4-4变频器整机外观图

变频器从结构上分为整体式和单元式。它们的工作原理是一样的，主要区别是组装上的不同。

图4-5 132kw/380V单元式变频器整机装配示意图

编号说明：

（表2-2）

该变频器共有四个单元，其中编号为A的为回馈单元，B、C为逆变单元，D为整流单元。

4.5安装空间及散热

变频器内部装有冷却风扇以强迫风冷，为了使其冷却系统良好地工作，必须将变频器垂直安装在坚固无震动的基座上，在变频器周围（上、左、右、前、后）与其他物体或挡板之间留有足够的空间，如图3-3公司示。

图4-6  变频器安装示意图

4.6电气接线图

图4-7  整机接线图