提升機(jī)負(fù)荷不均衡控制系統(tǒng)中變頻控制技術(shù)的應(yīng)用研究

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同家梁礦 山西 037025）

前言

當(dāng)?shù)V井提升機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，通常裝載料斗中轉(zhuǎn)載的物料顆粒不均勻以及深淺不一致等，導(dǎo)致出現(xiàn)料斗重量不一致的現(xiàn)象。此外，由于巷道中坡度存在一定的差異性，軌道寬窄存在一定的不同或者空氣阻力等，這些都會(huì)將導(dǎo)致提升機(jī)負(fù)荷出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，不利于提升機(jī)正常工作，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致提升機(jī)出現(xiàn)停止運(yùn)行。因此，需要探究提升機(jī)不均勻的特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.控制系統(tǒng)硬件和軟件

圖1 PLC控制系統(tǒng)框圖

通過分析我國現(xiàn)行的《煤礦安全規(guī)程》對(duì)提升機(jī)電器控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1表示PLC控制系統(tǒng)框圖。

通常PLC提升機(jī)控制系統(tǒng)包括如下幾個(gè)單元：第一，變頻器；第二，PLC控制單元；第三，傳感器與信號(hào)開關(guān)等。

（1）變頻器選用艾默生CT SPM，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)參數(shù)進(jìn)行如下操作：第一，自動(dòng)識(shí)別；第二，自適應(yīng)；第三，整定測(cè)試，能夠?qū)Ξ惒诫姍C(jī)的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)依據(jù)內(nèi)部設(shè)置的控制算法進(jìn)行調(diào)整，最終能夠?qū)Ξ惒诫姍C(jī)進(jìn)行控制。

（2）PLC選用德國西門子57-1200PLC，通常在其內(nèi)部設(shè)有如下幾個(gè)單元：第一，數(shù)字輸入輸出單元；第二，模擬量輸入輸出單元；第三，RS422/485通訊單元等。通常PLC開關(guān)量輸入信號(hào)包括如下幾個(gè)信號(hào)：第一，增量編碼器方面的脈沖信號(hào)；第二，來自于操作臺(tái)的控制信號(hào)；第三，變頻信號(hào)；第四，來自于制動(dòng)液壓站的信號(hào)；第五，來自于潤滑站的信號(hào)等。與此同時(shí)PLC開關(guān)量輸出信號(hào)包括如下幾個(gè)：第一，制動(dòng)油泵信號(hào)；第二，主電機(jī)風(fēng)扇控制信號(hào)；第三，電磁閥中繼電器信號(hào)；第四，報(bào)警指示信號(hào)；第五，故障指示信號(hào)等等。

（3）在于司機(jī)視線信號(hào)交互時(shí)可以宣紅打點(diǎn)信號(hào)，給主機(jī)電壓與電流設(shè)置相應(yīng)的數(shù)字電流與電壓表，這樣可以更好地對(duì)其進(jìn)行檢查。

對(duì)于軟件而言，可以選用模塊化以及功能化的形式，從而有利于后期的維護(hù)，以及調(diào)試等。通常系統(tǒng)程序包括如下幾個(gè)程序：第一，主程序；第二，初始化程序；第三，高速計(jì)數(shù)程序；第四，流程控制子程序；第五，數(shù)據(jù)循環(huán)程序；第六，故障處理與中斷程序等。

2.控制系統(tǒng)策略

為了能夠有效地解決提升機(jī)在負(fù)荷不均的現(xiàn)象，可以選用如下解決辦法：

（1）提升機(jī)轉(zhuǎn)速電流采用雙閉環(huán)矢量控制功能，一般變頻器電機(jī)有三種控制方式：第一，標(biāo)量V/F控制；第二，開環(huán)矢量控制；第三，閉環(huán)矢量控制。通常情況下，閉環(huán)矢量控制主要設(shè)置一個(gè)反饋裝置的電機(jī)，同時(shí)需要在提升機(jī)驅(qū)動(dòng)主電機(jī)軸上設(shè)置一個(gè)增量型的編碼器，進(jìn)而可以將信息反饋給變頻器，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩。當(dāng)選用閉環(huán)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的過載數(shù)值大于處于開環(huán)狀態(tài)下的數(shù)字。鑒于提升機(jī)載荷不均勻的現(xiàn)象，可以通過變頻器中設(shè)置的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)措施。通常情況下，可以在提升機(jī)調(diào)速方案必須包含兩個(gè)調(diào)節(jié)器：第一，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；第二，電流調(diào)節(jié)器。通常將兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接起來，這樣可以將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)化成為電流調(diào)節(jié)器的輸入。

（2）電源進(jìn)線濾波功能。通?？梢栽陔娫磦?cè)設(shè)置進(jìn)項(xiàng)電抗器，這樣能夠避免因不平衡造成驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障，與此同時(shí)對(duì)諧波電流進(jìn)行控制。假如選用額外線路電抗，可以將電抗器壓降低到2%范圍內(nèi)。電抗器電流額定值不能驅(qū)動(dòng)連接器輸入電流的額定值。對(duì)于重復(fù)峰值電流額定值而言，規(guī)定其不能小于驅(qū)動(dòng)器輸入電流的2倍。相應(yīng)的額外電感計(jì)算公式如下：

式中：L表示相應(yīng)的電感，單位為H；Y表示相應(yīng)的進(jìn)線電抗器壓降百分比，單位為%；U表示相應(yīng)的線間電壓，單位為V；f表示相應(yīng)的電源頻率，單位為Hz；l表示相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器額定輸入電流，單位為A。

（3）能耗制動(dòng)功能。驅(qū)動(dòng)器可以借助電機(jī)進(jìn)行減速或者采用機(jī)械的方式阻止電機(jī)加速，從而發(fā)生制動(dòng)現(xiàn)象，這樣所產(chǎn)生的制動(dòng)能量即返回了驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器所吸收的功率為驅(qū)動(dòng)器功耗。當(dāng)處于節(jié)電過程中，那么驅(qū)動(dòng)器可以借助PI對(duì)制動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，PI控制可以對(duì)減速時(shí)間進(jìn)行延長，從而可以有效地避免出現(xiàn)直流母線電壓超過設(shè)定值。假如想借助驅(qū)動(dòng)器降低電機(jī)速度，那么可以設(shè)置制動(dòng)電阻器。表1表示相應(yīng)的40℃制動(dòng)電阻最小值以及相應(yīng)的峰值額定功率，其中*表示獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器下的最小電阻值。通常可以將驅(qū)動(dòng)器當(dāng)做公共直流母線，必須對(duì)該數(shù)值進(jìn)行再次設(shè)置。假如該線路并未設(shè)置直流母排連接，那么相應(yīng)的電阻值設(shè)定在15%以內(nèi)。當(dāng)處于連續(xù)制動(dòng)的過程中，那么制動(dòng)電阻不間斷的消耗能量將超過驅(qū)動(dòng)器設(shè)定值。通常情況下，制動(dòng)電阻必須能夠負(fù)擔(dān)以毫秒為單位的功耗。假如出現(xiàn)較大的電阻值時(shí)，從而可以依據(jù)設(shè)定的規(guī)定有效地降低瞬時(shí)額定功率。由于在工作的過程中，制動(dòng)器啟動(dòng)的次數(shù)相對(duì)較差。那么相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器額定功率往往大于制動(dòng)電阻的額定功率?？墒窃谑褂玫倪^程中，制動(dòng)電阻瞬時(shí)額定功率必須滿足極限條件下的制動(dòng)情況。同時(shí)在對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化的過程中，必須充分考慮制動(dòng)負(fù)載的情況。因此制動(dòng)電阻阻值必須大于設(shè)定的最低電阻值，從而在制動(dòng)器出現(xiàn)故障時(shí)能夠有效地起到安全維護(hù)的作用。假如電阻值過高，那么將出現(xiàn)制動(dòng)效果不佳的線性，從而嚴(yán)重導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障。

表1 40℃時(shí)制動(dòng)電阻最小阻值及峰值額定功率

（4）變速器的調(diào)速以及相應(yīng)的精度，在編碼器中變頻器設(shè)置有帶速編碼反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而可以滿足各種范圍的調(diào)速。表2表示變頻器開環(huán)以及相應(yīng)的閉環(huán)矢量控制的調(diào)速范圍與精度。

表2 開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速范圍和精度比較表

（5）具有高速計(jì)數(shù)功能檢測(cè)速度，將增量型編碼器設(shè)置在提升機(jī)滾筒軸上面，當(dāng)接收到編碼器脈沖信號(hào)時(shí)，將其傳輸給PLC，從而能夠借助高速計(jì)數(shù)功能對(duì)提升機(jī)的出繩速度進(jìn)行計(jì)算。

（6）電流檢測(cè)功能，通常可以借助變頻器得到電流檢測(cè)的結(jié)果，主要表現(xiàn)為如下兩個(gè)方面：第一，借助變頻器輸出端子將模擬量傳輸給PLC，并且進(jìn)行處理。第二，借助RS485將數(shù)據(jù)傳輸給變頻器，并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取。

（7）制動(dòng)油壓恒定功能，通常情況下，制動(dòng)泵油壓主要借助比例溢流閥實(shí)現(xiàn)油壓的控制，而制動(dòng)幫油壓主要通過比例溢流閥進(jìn)行控制，同時(shí)PLC模擬量可以通過比例溢流閥進(jìn)行控制。

3.結(jié)語

該系統(tǒng)控制的核心為西門子PLC控制單元，同時(shí)借助變頻器內(nèi)部設(shè)置的閉環(huán)矢量實(shí)現(xiàn)高精度寬范圍的控制，保證提升機(jī)平穩(wěn)的啟停，從而可以實(shí)現(xiàn)配置制動(dòng)單元的能量消耗與加減速產(chǎn)生的能量釋放。該系統(tǒng)具有如下幾個(gè)方面的功能：其一，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)矢量控制；其二，能耗制動(dòng)；其三，電流檢測(cè)；其四，電源濾波；其五，高速計(jì)數(shù)等。同時(shí)設(shè)置各種操作方式，進(jìn)而操作人員可以依據(jù)工藝流程對(duì)潤滑泵、制動(dòng)泵以及電磁閥的得失電進(jìn)行控制，從而可以有效地控制速度，實(shí)現(xiàn)降耗增效的目的。

經(jīng)過分析選用艾默生CT SPM變頻器，同時(shí)選用西門子PLC進(jìn)行控制，能夠較好地處理提升機(jī)負(fù)荷不均衡的問題，從而能夠有效地提高工程效率，最大限度的降低能耗，從而有效地保證提升機(jī)安全可靠的運(yùn)行。