基于PLC控制器的矿井提升机节能控制系统研究.pdf

192/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言矿井提升机是煤矿中使用较多的辅助运输装备，其作用是实现矿井与地面之间的联系，将人员、开采工具以及煤矿等进行运输1。运输煤矿时提升机需要不断地进行上升与下降，是使用频率非常高的机械设备，且对安全方面的性能要求非常高2。随着煤矿领域技术水平的不断提升，对提升机设备的要求越来越高，目前正朝着智能化、节能化方向发展3。传统的提升机控制系统无法实现设备的变频调速，导致电机长时间高功率运行，会产生电能浪费问题4。不仅与我国倡导的节能减排政策背道而驰，也不利于煤矿企业自身的可持续发展。针对该问题，利用 PLC 控制器和变频调速技术，设计了提升机的节能控制系统，通过实践应用发现效果良好，创造了很好的安全效益和经济效益。1 矿井提升机概述以某煤矿主立井中使用的提升机为对象进行分析，该提升机型号为 2JK-3/1.36，主要用途是对煤矿进行运输，矿井深度为 98m。提升机采用双滚筒缠绕式结构，天轮直径为 3m。矿井提升机系统的主要构成如图 1 所示。由图可知，提升机主要包括电动机、液压制动装置、润滑系统、减速器、主轴装置以及电控系统等部分。液压制动装置又包含制动器和液压站两个部分，液压站型号为 TE160。润滑系统是机械装备中的重要部分，为提升润滑系统的可靠性，设计了两套润滑系统，一个作为主用，一个作为备有。目前，提升机电控系统工作时存在一定的缺陷问题，无法根据实际情况对电机运行速度进行调整控制，导致设备电能消耗居高不下，增加了煤矿运输成本，有必要结合先进技术对电控系统进行技术改造，以提升设备的节能化水平5。2 节能控制系统整体方案设计2.1 整体方案设计如图 2 所示为结合实际情况设计的矿井提升机节能控制系统的整体方案框图。可以看出，系统运行时需要对提升器的深度、润滑站状态、液压站状态以及电机转速等信息进行检测，所有信号利用信号系统进行收集后，上传到 PLC 主控系统中进行综合分析，判断提升机的运行状态特别是电机输出转速状态，进而对变频器下达指令，控制变频器的输出电压频率，最终实现对电机转速的有效控制6。PLC 主控系统还与上位机、操作台进行连接，接受上位机控制。PLC 使用的是西门子的 S7-300 系列控制器，作为节能控制系统的核心部分，为保证系统的正常运行，设置了两套控制器，一个作为主用，一个作为备用。信号采集系统的型号为 ET-200，同样为西门子公司产品，确保与控制器之间的兼容性。郑雪军(山西汾西矿业集团孝义煤矿管理分公司，山西孝义 032300)摘要：提升机是煤矿中的重要辅助运输设备，是煤矿中的电能消耗大户。针对传统控制系统存在的电能浪费问题，利用 PLC 控制器设计了节能控制系统。系统利用变频器对电机速度进行调整控制，以适应不同的工况条件。PLC 控制器型号为 S7-300，使用的信号采集系统型号为 ET-200，均为西门子公司产品，能保证硬件之间的兼容性。基于模糊 PID 控制技术对电机输出转速进行调整控制，能提升速度调整过程的稳定性与可靠性。将系统应用到工程实践中，发现能节能 10%左右，每年可节省 100 万元左右的设备维护保养费用，经济效益良好。关键词：PLC 控制器；提升机；节能技术；控制系统基于PLC控制器的矿井提升机节能控制系统研究图1 矿井提升机的主要构成部分2023.9 矿业装备/1932.2 主要硬件设施2.2.1 PLC 控制器选用的 PLC 控制器型号为 S7-300，采用模块化设计，即控制器利用不同模块组合而成，如图 3 所示为 S7-300型 PLC 控制器的模块构成。可以看出，主要包括 CPU 模块、电源模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、功能模块、接口模块和通信处理器模块等。图中左侧 4 个模块统称为信号模块，作用是对数据信息进行输入和输出，完成数据交互。电源模块的作用是对PLC 控制器中所有的硬件设施进行供电，确保电压稳定，为硬件设施的稳定运行提供坚实基础。CPU 模块是 PLC 控制器中的核心部分，作用是存储内置算法程序，并对采集到的数据信息进行综合分析处理，性能好坏直接影响整个控制系统的运行性能。此PLC 控制器中使用的 CPU 模块型号为 314C-2DP，最大MCC 和用户内存程序容量大小分别为 8MB 和 48KB，单个指令处理时间可以控制在 0.1ms 范围内。位存储器、计数器和定时器的数量分别为 2048 个、256 个和 256 个，内部集成有 DP 和 MPI 通信接口。2.2.2 高压变频器变频器的作用是将额定的 50Hz 电压转变成为不同的电压频率，供提升机的电机使用，实现对电机的转速控制。在综合考虑维护便捷性、实用性的基础上，选用国产的 JD-BP37/38 系列高压变频器。此型号变频器的主要优势如下：第一，变频器设置有 PLC 接口板，能便捷地与 PLC进行连接，并接受 PLC 的控制指令。第二，基于空间电压矢量控制技术和载波移相控制技术对电压频率进行转换，可实现提升机的软启动，保障设备启动过程的稳定性。第三，具备瞬时停电再启动功能，供电电源短时间停电后再启动，变频器可继续正常工作，保障了变频器在特殊工况条件下的运行可靠性和稳定性。3 提升机节能控制的实现3.1 提升机速度变化曲线如图 4 所示为提升机速度变化曲线图。由图可知，提升机运行过程中的速度变化情况比较复杂，从开始运行到停止，共经历六个阶段，分别为初加速阶段、主加速阶段、等速运行阶段、减速运行阶段、爬行阶段以及制动阶段。设置初加速阶段的目的是避免启动时加速度过大对设备造成冲击，此阶段加速度不得超过 1.5m/s2，将速度加速至 1.2m/s 后进入主加速阶段，速度达到最大值后开始匀速运行。接近终点时提升机开始做减速运动，然后进入爬行阶段，根据规定爬行时的速度不得超过0.5m/s，此系统中将其设置为 0.4m/s，爬行距离控制在5m 左右。最后制动阶段的加速度为 1m/s2，直到设备停止为止。3.2 模糊 PID 控制器原理对于很多工业系统，利用 PID 控制技术可以取得很好的控制效果，所以应用非常广泛。但是在利用 PID 控制器时需要不断地求解比例调节系数 KP、积分调节系数 KI 和微分调节系数 KD，如何确定三个系数的大小直图2 基于PLC控制器的节能控制系统整体框图图3 S7-300型PLC控制器的模块构成图4 提升机速度变化曲线图194/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备接影响控制系统的运行精度和稳定性。近年来，人们将模糊控制技术和 PID 控制技术进行融合，设计出了模糊PID 控制技术。此项技术的产生充分融合了两项技术的优势，能进一步提升控制过程的实时性和精度。模糊 PID 控制器运行时，主要利用模糊推理对比例系数、积分系数和微分系数进行调节修正，确保三个系数更切合实际，从而提升 PID 控制的精度。模糊推理时，以控制对象的实际值与理想值之间的差值及其变化率为输入对象。如图 5 所示为模糊 PID 控制器的主要原理结构图。控制器的运行过程主要分为以下三个步骤：第一，对提升机运行速度的误差 e 及其误差变化率ec，利用模糊控制技术进行模糊化处理。第二，对模糊化后的参数进行模糊推理，再进行反模糊化处理，获得 PID 控制器中的比例系数、积分系数和微分系数的修正量 KP、KI、KD。第三，将三个系数的修正量与原始值进行叠加，得到修订后的三个系数，并将其输入到 PID 调节器中进行处理，下达控制量 u 给控制对象变频器，变频器根据控制量输出对应的电压频率，实现提升机运行速度的控制。由图可知，整个控制过程为闭环控制，能有效保障速度控制的精度。4 节能控制系统的应用效果分析为了验证设计的基于 PLC 控制器的提升机节能控制系统的效果，根据上文所述的整体方案，将其部署到2JK-3/1.36 提升机工程实践中，并对运行情况进行记录，目前系统在工程中的应用时间有六个月左右。通过现场应用发现，节能控制系统达到了预期效果，可以对提升机的运行状态进行准确控制。使得提升机运行时各阶段之间的速度变化更加平滑，有效规避了速度变化时对设备的冲击以及电流变化对电网造成的冲击。由于运行稳定性提升，使得设备故障率明显降低。初步估计，系统的成功实践应用每年可以节约 100 万元的设备维护保养费用。另外，变频调速技术的应用，使得电动机的输出功率能够根据不同运行阶段的实际需要进行调整，提升机在相同工况下的电能消耗有所降低，根据现场统计的结果其降低幅度大约为 10%，达到了节能降耗的效果，为煤矿企业节省了一定的电费，降低了煤矿运输成本。综上所述，基于 PLC 控制器的节能控制系统的应用获得了成功，不仅为煤矿企业创造很好的安全效益和经济效益，还显著提升了煤矿的智能化水平。5 结束语本项目以煤矿中使用的 2JK-3/1.36 型提升机为研究对象，利用 PLC 控制器设计了设备的节能控制系统。得到如下几个主要结论：第一，提升机运行过程分为 6 个阶段，不同阶段对加速度和速度要求不同，利用深度指示器和编码器分别对提升机深度以及电机转速进行检测，并通过信号系统输入到 PLC 控制器中进行分析处理。第二，利用变频器实现电机速度的调整，利用模糊PID 控制器对速度进行控制，达到良好的控制精度和稳定性。第三，将节能控制系统应用到提升机工程实践中，经六个月的实践，发现各项性能都达到了预期效果。与原系统相比较，可节能降耗 10%左右，每年可节省设备维护费用 100 万元左右，安全效益和经济效益显著。参考文献1 郑力奎,寇子明,吴娟.永磁外转子矿井提升机控制系统研究 J.机电工程,2022,39(8):1160-1167.2 王一点,曹成刚,黄碧云.矿用提升机变频调速系统自适应鲁棒控制设计方法 J.机械制造与自动化,2022,51(4):229-232.3 张彦辉.基于无线传输的提升机载荷监测系统设计与分析J.山东煤炭科技,2022,40(5):150-152.4 段李鹏.PLC 在矿井提升机变频调速控制系统中的应用 J.机械管理开发,2022,37(4):208-210.5 苗学苑.矿井提升机调速控制系统研究 J.内蒙古石油化工,2022,48(4):14-16.6 郭明明.华阳一矿提升机高压变频电气控制系统节能改造J.煤炭与化工,2022,45(4):99-101.图5 模糊PID控制器的原理结构图