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　摘要：兗州礦區針對礦井提升機電氣傳動及控制系統運行中發現的問題，應用先進技術對設備改造理論依據進行研究與實施。現場運行實際表明，這些改造成果有效地節約了電能，保障提升機的安全運行。

　　關鍵詞：煤礦；立井；提升機；電氣；控制

　　中圖分類號：TD63文獻標識碼：B

　　1.引言

　　近幾年來，兗州礦業（集團）有限責任公司成功地針對礦井提升機電氣傳動及控制方面存在問題進行數字控制的研究與實施。煤礦現場的運行實際表明，兗州礦區的礦井提升機改造成果有效地節約了電能，保障了提升機的安全運行。

　　2.鮑店煤礦主井北提升機電控系統升級

　　兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦運用冗余技術、人—機工程學等現代設計思想，采用目前先進的可控硅變流器—電動機直流電力拖動系統和全數字控制系統，對由直流發電機供電的原主井波蘭提升機進行改造，實現提升機全數字控制、實時監測、故障自診斷等功能。通過此項改造，提高設備運行的安全可靠性、而且節約電能，滿足礦井發展的需要。

　　⑴原有狀況

　　鮑店煤礦主井北提升機是從波蘭引進的產品，采用直流發電機組供電，電樞換向，勵磁機恒流勵磁。由于控制系統精度低、可靠性差，一直處在半自動方式和手動方式下運行。隨著控制系統老化，故障更加頻繁。因此，他們決定將提升機的F—D直流拖動系統改為KZ-D直流拖動系統。

　　⑵改造內容

　　在設備配套方面優化設計各種配置，保留原有高壓供電系統，只對操作機構進行改造，使其具有自動控制功能；選用ABB公司低壓供電系統，便于自動控制；選用ABB公司DCS600型12脈動串聯可控硅直流驅動系統，改造F—D機組；選用AC110可編程控制器實現提升機程序控制及過程控制；選用AHM110實現提升機運行過程監控；選用FHF為井筒信號、通訊和控制系統；以AF100總線為通訊總線，設置相應的站點，實現對各種運行設備的控制和監視。新系統設置全自動、手動2種方式用于提升煤炭，提升速度全速12.8m/s，其中手動方式0.1～12.8m/s可調。主繩、尾繩、井筒檢查3種方式限速≤0.5m/s。

　　⑶改造效果

　　①經濟效益。精確的提升速度、行程控制及裝、卸載自動化控制，極大縮短提升周期，采用全自動方式下運行的每個提升循環時間由原系統105s減少到90s以下，提升能力每年增加36萬t以上。提升系統運行效率提高，節電效果明顯，年節電260.58萬kW·h。

　　②社會效益。由于淘汰2套同步發電機組及配套的各類電動機、冷卻風機，主井井塔現場噪聲大為降低，符合環保的要求。此外，由于設備性能可靠、監測系統先進、故障指示準確，減小故障判斷難度、簡化故障處理過程、降低維修人員勞動強度。

　　3.鮑店煤礦主井南提升機電控系統升級

　　兗州礦業（集團）公司鮑店煤礦在保持提升機電控系統控制原理及軟件邏輯關系不變的情況下，把主井南提升機的電控系統模塊由S5PLC升級為S7PLC，同時根據S7PLC的強大通訊功能優化部分控制程序，提高了信號的傳輸速度。

　　⑴升級改造的必要性

　　鮑店煤礦對主井的南提升機電控系統進行改造以后,主控及裝卸載控制系統采用西門子S5PLC實現。根據西門子使用手冊及電氣元器件使用規律，7～8a為PLC及控制模塊的穩定運行期，過了穩定運行期以后則元器件特別是電容老化現象逐漸明顯，曾經多次因模塊老化而影響生產；西門子公司目前已經停止生產S5系統模塊，庫存產品價格過高，而且有的配件很難買到；STEP5編程繁瑣，并且必須用專用編程器才能查看，不利于現場維護人員的掌握和對控制系統深層次的理解，STEP7編程為WINDOWS界面，在普通電腦上即可運行，有利于提高維護水平；S5→S7升級改造費用低，購買3～4塊S5系統CPU948模塊花費60～80萬元即可；改造以后能與副井提升機電氣控制系統相一致,作到備件、技術共享。

　　⑵升級改造

　　①改造前的主控系統。主要由S5-155U及其主機架、1個擴展機架、4個ET200M分站及上位機組成。主PLC為CPU948，組態軟件為IN-TOUCH，主要完成提升機工藝控制及與SIMADYD閉環控制系統通訊，是提升機控制的主要環節。其中，包括軟件安全回路、高低壓控制、輔助設備控制等。此系統硬件在工業控制領域已被S7-400/300PLC取代，裝卸載控制系統安裝在主井塔的二樓卸載站，主PLC為S6-115U，主要完成裝卸載的工藝控制以及井筒信號的處理。155U與155U之間為點對點通訊，155U與SIMADYD為TTY通訊方式。

　　②改造目標。增加系統的可靠穩定性；全面的報警功能；與副井提升系統實現資源共享；關鍵部位通訊實現工業以太網通訊；優化裝卸載程序；實現提升機監控信息的網上共享；更快的程序處理速度。

　　③改造內容。在軟件方面保留原主控程序功能，對程序進行轉換。例如，卸載系統中舌板設備經常出現故障，以前改造已將此裝備去掉，但是程序依然要檢測舌板位置，因此必須用其它位置開關代替。此次升級在保持裝卸載程序基本不變情況下，對裝卸載程序進行整體優化，去掉一些沒有意義的輸入點。此外，對主控系統和前連接方式等硬件回路也進行了改造。

　　⑶改造效果

　　鮑店煤礦主井南提升機通過改造提高程序的運行效率，極大減少電氣控制方面的故障率，以60萬元的較低代價解決硬件運行時間長、模塊老化的問題，具有顯著的經濟效益和社會效益。

　　4.興隆莊煤礦主井提升機電控系統升級

　　兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦擔負原煤提升任務的主井2臺提升機均為從瑞典引進的20世紀70年代產品，電控系統所屬配件原廠家目前已不再生產，備件缺乏，嚴重影響生產正常運行。他們成功地對2臺提升機電控系統進行改造，為國內其它煤礦同類型提升機的改造提供了有效的借鑒經驗。

　　⑴提升機電控系統存在主要問題

　　機械傳動式水平監控器的傳動機構為齒輪傳動，磨損嚴重、控制誤差大、故障頻繁，國內產品難以配套；操縱控制系統為繼電器程序控制，每臺提升機有繼電器400多個，接點多、接線復雜、維護工作量大、故障率高，大部分繼電器均已超過其使用壽命，進貨渠道不暢、價格昂貴；可控硅驅動系統為模擬控制，控制插件多、控制精度較低、調試困難，可控硅容量低，難以適應增加提升能力需要；保護系統技術落后，精度、響應速度和可靠性都不適應運行要求，液壓站制動系統工作狀態無有效監測、溫度保護無精確顯示、速度保護誤差大，安全保護不完善；司機操縱臺操作方式落后、運行狀態指示不完善，指針式提升深度指示誤差大，不利于安全操作監視。

　　⑵提升機電控系統改造

　　①方案設計。首先由礦方自行設計電控系統的改造總體方案，主要配置采用國際招標引進的方法，要求新的電控系統整體性能達到當前國際先進水平，改造以后具備以下功能：整個系統為全數字化控制；可方便進行各種方式操作、運行參數整定調整及保護試驗；監測功能齊全，提升機運行狀態、參數和故障等實現計算機控制、顯示與記錄，人—機界面友好；保護完善，具有故障自診斷測試功能；運行可靠，控制精度高，提升效率高，維護工作量小。

　　②改造范圍。包括繼電器控制系統、可控硅驅動系統、司機操作臺、水平監控系統、監測保護系統及液壓站6個部分，保留設備為主電動機、整流變壓器、高壓開關柜及裝卸載系統4個部分。國內配置的設備有稱重系統、低壓配電柜、動力電纜及部分控制電纜。改造后的系統主要配置如下：控制系統選用ABBAdvantOcs（AC110）開放式控制系統，這是一個以計算機為基礎的用于邏輯及調節控制、具備通訊功能的模塊化控制器；驅動系統選用ABBDCS600傳動系統變流器，用于驅動和控制直流主電動機；AHM110數字監控系統是對提升機進行精確監視和安全保護的設備；人—機通訊系統選用DESKPRO型計算機作為視頻設備。

　　⑶改造效果

　　興隆莊煤礦主井提升機電控系統改造項目的不停產成功實施，具有顯著的經濟效益和社會效益。經過現場測定，經過改造的提升機運行時間比原系統縮短3s；全年增加提升能力50萬t以上，年節約電能60萬kW·h以上，年增效益1000多萬元。改造后的提升機電控系統實現了全數字控制，控制精度、運行可靠性、穩定性大幅度提高。驅動系統容量的提高，為今后提升增噸改造提供保障。

　　5.北宿煤礦副井提升機電控系統升級

　　兗州礦業（集團）公司北宿煤礦二號副暗斜井提升機原來為交流異步電動機驅動的TKD系統，信號部分經過技術改造實現PLC控制。此后，他們在此基礎上再次對信號部分進行技術改造，系統自動控制系統采用先進可靠的交—直—交變頻技術，實現雙PLC控制和雙安全回路，具有節能、高效、高產、高可靠性、穩定性好的優點。

　　⑴原先存在的問題

　　北宿煤礦二號副斜井提升機為2JKB-2×1.25型；電動機功率160kW；電動機定子電壓660V；電動機轉速743r/min；減速機速比20：1；鋼絲繩直徑21.5mm。

　　此提升機原為交流繞線式電動機串電阻調速系統。這種控制系統采用繼電器有觸點的邏輯控制,以切換串入交流電動機轉子的電阻來達到調速目的，屬于有級調速，線性度差，調節精度很難保證。北宿煤礦的這套系統設備運行時間較長，交流接觸器的主觸頭容易氧化而引發設備故障；提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差；提升機的起動、調速和制動，在轉子外電路所串電阻上產生的功耗較大。

　　⑵控制系統技術改造

　　他們采用PLC邏輯替代繼電器邏輯，電子線路替代磁放大器，對可調閘和動力制動進行調節控制，主令控制器用簡單的接點耦合替代，速度信號采用電子線路處理，變頻器調速控制實現提升機的恒加速、恒減速控制以及電動機軟啟動，驅除轉子串電阻造成的能耗。

　　⑶提升機行程控制

　　他們根據提升機的升降位置實施控制，利用深度指示器將行程位置轉換成開關信號，通過變頻器的控制端實現多段速度變頻控制、停車控制和制動控制。行程控制分為正向提升過程和反向下降過程，主要是將提升機的升降過程劃分為不同的行程區間，根據每個行程區間的實際情況采用不同的變頻調速控制提升機的升降速度。行程控制不僅控制提升機整個升降行程過程的變頻調速，而且控制提升機的停車和制動過程，很好地防止提升機過卷、掉道等事故。

　　⑷應用效果

　　北宿煤礦二號副斜井提升機的改造應用實踐表明：原先的繞線式電動機轉子串電阻調速技術在電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低消耗的轉差功率越大；采用變頻調速是1種不耗能的高效調速方式，提升機的絕大部分時間都處于電動狀態，節能效果十分顯著。；而且，提升機變頻調速使系統運行的穩定性和安全性都得到提高，減少運行故障和停工工時，間接的經濟效益也很可觀。

　　6.濟寧二號煤礦主井提升機電控系統升級

　　兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦對礦井提升機交交變頻矢量控制系統實施技術改造后，在保留原控制系統的同時新增1套控制系統，達到2套電控系統相對獨立且相互切換、互為備用的目的，提高礦井提升機安全運行的可靠性。

　　⑴礦井提升機電控系統原先狀況

　　該礦主井提升系統配置1套從德國西瑪格公司引進的、電控系統為德國西門子公司基于S5-PLC和16位SIMADYN-D交交變頻矢量控制的調速控制系統。主電機為西門子生產的5400kW的雙繞組同步電動機，主摩擦滾筒和制動控制液壓站由西瑪格公司提供，制動控制系統為西門子S5-115U可編程控制器和制動控制板等組。由于原控制調速系統元器件老化、備件供應困難、維護成本高，嚴重影響礦井安全生產，需對電控系統進行改造。

　　⑵礦井提升機交交變頻電控系統改造

　　他們根據礦井提升機工藝和控制要求，結合現場實際情況，保留原系統可控硅功率單元、高壓配電單元、閘控系統等，新增加的交交變頻電控系統結構主要由主控PLCS7-400系統、SIMADYN-D全數字礦井提升機工藝控制監控系統、SIMADYN-D全數字交交變頻矢量控制系統、新操作臺、故障監視與顯示系統、信號轉換系統和新增的裝卸栽控制系統七個部分組成。

　　①主控PLCS7-400系統。根據提升工藝信號，提供提升機運行的計算、分析、運行和控制信號；實現系統運行的各種監視與監控任務；實現系統的故障監測、故障分析與故障監控；向SIMADYN-D交交變頻矢量控制系統提供給定信號和運行控制信號；想監視與顯示系統提供故障信息和系統運行信息；向操作臺提供系統運行信息。

　　②全數字提升機工藝控制監控系統。礦井提升機工藝上是在2個定點之間運行，控制系統最終的控制效果體現在對位置（行程）的控制上。提升機的安全性也要求電控系統具有優良、安全可靠的行程控制功能。另外，完善的提升機電控系統必須具有監控功能，監測提升機的整個運行狀態。當系統出現故障時能夠及時檢測到并且作出處理，對于重要運行狀態還需要進行冗余監視。提升機工藝控制系統采用雙通道冗余的SIMADYN-D控制器實現對提升機的工藝控制，2套系統獨立運行實現冗余控制，包括提升機行程控制及運行狀態監視。主要實現以下控制功能：根據行程信號實現全數字行程控制；根據系統運行狀況，實現交交變頻矢量控制系統的信號監測與監控；根據主軸編碼器和導向輪編碼器信號以及測速發電機信號，實現礦井提升機系統運行的監測與監控，如逐點速度監視、速度互相監視、連續速度監視、行程互相監視、滑繩監視、錯向監視及在監視系統軟件中設定井筒開關監視、過卷監視、失勵監視、最大減速度監視可控硅整流橋監視、停車零電流監視及給定值—實際值監視等。

　　⑶改造效果

　　自從新的電控系統投入運行以后，濟寧二號煤礦主井提升系統運行穩定，解決了原先提升機電控系統上電難、復位難、同步難的問題以及監控系統信息量少而且不直觀的問題，從根本上解決了原系統備件供應困難的問題，真正做到新老系統相對獨立而且相互備用，提高礦井提升機運行的安全性和可靠性，達到設計要求，完全實現1臺提升機2套電控系統的運行模式。

　　7.楊村煤礦副井提升機全數字化控制

　　兗州礦業（集團）公司楊村煤礦的副井提升機原先配置交流異步電動機驅動的TKD系統，采用繼電器有觸點的邏輯控制，以磁放大器為核心組成的模擬量可調閘閉環調節，靠切換串入交流電機轉子的電阻來達到調速的目的，調節精度很難保證，穩定性和線性度差，而且設備老化已經影響礦井的安全生產。為此，他們對其進行改造，并在中國礦業大學的支持下研制出提升機全數字化控制自動化系統。

　　⑴控制系統技術改造范圍

　　PLC應用在交流提升機的改造上，主要表現在：采用PLC邏輯替代了繼電器邏輯；采用電子線路替代磁放大器，對可調閘和動力制動進行調節控制；主令控制器用簡單的接點耦合替代；速度信號采用電子線路處理。引入這些技術后，在一定程度上改善了提升機的性能，但是也存在一些問題：外圍硬件過多，沒有充分發揮PLC軟件的功能，裝置容易出現故障和產生不穩定；簡單耦合的主令控制器可靠性差，容易造成開車控制上的重大錯誤；對速度檢測增加中間有源環節，容易造成速度監測錯誤；減速點等關鍵點設置太少，留有隱患；沒有良好的調節控制程序，調速性能不理想。礦井提升機直流拖動與交流異步電動機拖動相比，調速性能好、不需要附加其它拖動裝置、容易實現自動化。此項改造的內容是去掉TKD電控系統、交流電動機和信號操車設備等，改為新型直流調速自動化系統，主要包括開發1套由高壓開關柜、整流變壓器、電樞整流柜、司機控制臺、PLC柜、低壓配電柜和上位監視機等組成的全數字自動化副井提升電控系統，使用直流電動機，更換1套PLC控制信號操車設備。

　　⑵提升機電控系統的關鍵技術

　　①動力系統設計。6kV來自礦井35kV變電所2路進線，手動切換。提升機房放置1臺6kV高壓柜。高壓柜采用真空斷路器，設有速斷、過流、欠壓、失壓跳閘等保護功能。2路380V進線作為低壓供電回路，手動投切。低壓配電柜設置多路輸出，擔負提升機電控系統及信號系統的供電。

　　②驅動系統。提升機房設1臺整流變壓器，直流電動機主回路為1臺主整流柜，內置1臺SIEMENS6RA70整流裝置。直流電動機的電樞回路采用晶閘管6脈動供電，電樞換向。6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器為全數字緊湊型整流器，輸入三相電源為變速直流驅動提供電樞和勵磁供電，穩定電樞電流15～2000A。開環和閉環驅動控制及通訊功能由2臺功能強大的微處理器實現，驅動控制功能可以通過參數將軟件提供的程序塊連接來實現。根據提升機行程控制的要求，由PLC完成系統速度曲線與保護曲線運算，綜合成為速度的給定輸出。

　　③提升機控制系統。操作臺設置2個手柄，分別用于速度給定及制動閘給定。控制臺顯示盤設置主要狀態顯示燈、主要故障顯示燈、圓盤式深度指示器和數字深度指示器、電樞電壓和電流顯示儀表等。

　　⑶改造效果

　　應用實踐表明：電路均采用大規模和超大規模集成電路，故障點少、可靠性高；硬件采用以總線聯系的模塊化結構，控制算法和系統控制利用軟件完成具有可構置性，可以進行功能擴展；硬件工作狀態通過軟件反映，軟件運行情況通過硬件監視，軟硬件故障均可通過指示直接反映出來，維護方便；設有微處理器，整個控制功能與調速算法均由軟件完成，控制精度高，穩定性好；全數字控制直流拖動系統運行效率高、無功能耗低、節約大量電能、減少維護費用；系統能夠產生S形曲線，減少對系統沖擊，保護系統運行的平滑性；容易實現數字通訊，并與其它系統聯網，將系統中的運行參數和狀態傳遞到網絡上，實現現代化管理。

　　8.南屯煤礦新型全數字直流調速提升機電控

　　中國礦業大學和兗州礦業（集團）公司南屯煤礦基于工業現場總線PROFIBUS研制的TS3A型全數字化礦井直流調速提升機電控系統，使提升機電控系統真正實現數字化、網絡化控制。在南屯煤礦主井提升機的幾年運行結果表明，此系統可靠性好，具有費用低、周期短、易于維護等特點，有著廣闊的應用前景。

　　目前，我國煤炭、冶金等行業裝備的礦井提升機大多使用模擬控制，其主控系統采用繼電器控制，觸點多、接線復雜、故障率高、維護困難；驅動控制采用模擬電路，精度低、穩定性差、響應速度慢、調試困難；保護系統、監控系統等的信號采集采用機械傳動、分離元件處理，無自修正及智能診斷等功能，速度慢、誤差大、準確程度低，不利于安全運行。隨著先進采礦技術的使用，礦井生產能力極大提高，老礦井提升機原設計提升能力的瓶頸制約作用愈顯突出，電控系統的數字化改造明顯縮短原系統的提升循環時間，增加設備的可靠性。

　　⑴電控系統結構

　　新研制的TS3A型礦井全數字化直流調速電控系統是由PROFIBUS工業總線網絡結構化組成的。其主要部分包括主控系統S7-400；監控系統S7-300；上位機監視系統；電樞12脈動驅動系統及控制系統；勵磁6脈動驅動系統及控制系統；含有遠程監視站ET200M的低壓配電系統和小巧方便的操作控制臺；還有高壓配電系統、變壓器、電抗器、直流快速斷路器和測速環節等。整個電控系統由3條PROFIBUS工業總線和點到點通訊網絡構成，實現各個子系統實時數據交換和控制。

　　操作臺顯示部分有高壓通、直流通、輔助通、提升機可運行、同步信號、警告、安全回路、旁路保護、A斗、B斗、緊停、變流跳、輔助跳、變流1故障、變流2故障、勵磁故障、裝卸載故障、計算機故障、備用等。

　　⑵電控系統功能

　　①全數字化的控制系統。采用2套PLC。其中，1套PLC主要功能是執行操作程序，并實現各種故障保護及閉鎖。來自系統各部分的信號經過隔離直接引入到PLC中，PLC將其處理后分為操作、控制、顯示、制動、故障和報警，送監視器顯示故障類型，控制聲光報警系統報警并施閘。系統的安全回路有3套，分別由主控PLC、監控PLC和繼電器直動回路組成。系統的主要保護有過卷、等速段超速、減速段超速、全程過速、同步超限、裝卸載故障、緊停等。狀態的主要保護有電動機超溫保護、主回路故障、高壓柜故障跳閘、變壓器故障跳閘、快開跳閘、緊急停車、勵磁故障、操作程序故障、低壓電源系統故障、計算機系統故障等。另一套PLC把1個軸編碼器和井筒開關配合完成行程監控。這種以軟件處理為主的行程跟蹤方法在靈活性、可靠性及精度等方面都很高，只要選擇分辨率較高的軸編碼器就可以保證定位精度在20mm之內。由于打滑與鋼絲繩伸長等行程誤差可通過井筒同步開關予以校正。PLC還將部分操作信號、軸編碼器信號、保護信號及行程參數結合起來進行邏輯運算處理，自動產生提升機所需要的速度給定信號。

　　②模塊化的數字驅動控制系統。全數字調節部分采用西門子SIMOREG6RA70系列全數字直流調速裝置，用于可調速直流電動機電樞和勵磁供電。三相交流電源直接供電的全數字控制裝置結構緊湊，可選擇給定值和反饋值為數字量或者模擬量，所有的控制、調節、監視及附加功能都由雙微處理器實現。其主要功能是調節部分完成電樞回路和勵磁回路的調節功能，實現電樞回路和磁場回路的各種監控與診斷。

　　⑶調試及運行

　　調試過程如下：出廠前的廠內器件檢驗、查線及各柜（臺）的通電試驗與檢驗；在現場安裝完畢之后的高低壓通電聯調，利用小電動機進行直流12脈動和部分環節的調試；操作臺和3臺安裝完畢后的各個控制環節全面調試，利用現場原有電動機進行試運轉調試；更換新的主電動機后的通電試運轉調試。

　　9.結束語

　　礦井提升機是礦山企業的關鍵機電設備，對礦井的生產及安全起著非常重要的作用。由于提升機的生產工藝要求比較高，其電氣傳動及控制一直是世界各國電氣傳動界的重要研究領域。目前，發達國家的礦井提升機電控技術已經全面實現了全數字控制，而我國絕大多礦井的提升機電控系統還是交流串阻調速繼電器—接觸器控制，效率低下、安全隱患多，嚴重制約著礦山產業的健康發展，急需大規模的技術改造和更新，應當從多方面切實給予相當的重視。兗州礦區對于礦井提升機電氣傳動及控制方面數字控制升級改造的實踐經驗，也為國內其它礦區提供了可供參考的有益經驗。

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