煤礦JSDB系列礦用絞車控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劇江濤

（山西省能源發(fā)展中心，山西 太原 030000）

1 概述

司馬煤礦所采用的礦用絞車為JSDB-16型礦用絞車，位于105工作面，主要用于井下調(diào)車之用。該絞車存在故障率高、可靠性差、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。經(jīng)分析，JSDB-16型礦用絞車所采用的切換電阻調(diào)速控制系統(tǒng)造成上述缺點(diǎn)的主要原因。為解決JSDB-16型礦用絞車使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)用變頻+可編程控制的方法對(duì)司馬煤礦JSDB-16型礦用絞車控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理概述

變頻+可編程控制礦用絞車控制系統(tǒng)主要是通過(guò)繼電器的打開(kāi)與閉合進(jìn)行低壓電氣控制的。溫度與速度傳感器主要負(fù)責(zé)礦用絞車系統(tǒng)的參數(shù)采集。系統(tǒng)中的以太網(wǎng)接口可使礦井的調(diào)度室直接連入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理與調(diào)度，也可接入上機(jī)位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息共享與交換。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，對(duì)系統(tǒng)起主要控制作用[1]。PLC（可控編程控制器）利用Modbus協(xié)議與變頻器連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與通信功能，從而達(dá)到整體系統(tǒng)精準(zhǔn)控制與管理的目的。其工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

（1）變頻器選型

當(dāng)?shù)V用絞車向下運(yùn)行時(shí)，在重力的作用下絞車必須通過(guò)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)限制速度的提升。當(dāng)?shù)V用絞車向上提升運(yùn)行時(shí)，絞車會(huì)因較大的負(fù)載以及較低的速度，使得變頻器需提供較大的扭矩來(lái)維持礦車運(yùn)行，該過(guò)程起動(dòng)電流較大[2]。故礦用絞車的運(yùn)行往往會(huì)使電路產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，因此變頻器的電流容量需高出異步電動(dòng)機(jī)一級(jí)，應(yīng)為異步電動(dòng)機(jī)電流容量的1～1.5倍。絞車的異步電動(dòng)機(jī)額定功率為38 kW，因此，選擇三菱的FR-F440-45K-CHT變頻器，其額定功率為45 kW，符合設(shè)計(jì)要求。RF-F740系列變頻器可匹配PID控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)PID控制電機(jī)的各種狀態(tài)，同時(shí)還可通過(guò)PID多重環(huán)路功能控制外部設(shè)備，降低系統(tǒng)成本[3]。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制

異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方法主要有矢量控制、變頻變壓控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制三種方法。其中，矢量控制雖可使交流電機(jī)獲得直流電機(jī)的調(diào)速性能且可以直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，但矢量控制的方法使用成本較高、回路控制較為復(fù)雜[4]；變頻變壓的控制方法具有發(fā)熱多、低速功耗大以及制動(dòng)性能差等問(wèn)題，不適于該變頻調(diào)速系統(tǒng)。故選用直接轉(zhuǎn)矩的控制方法實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，該方法響應(yīng)迅速、超調(diào)量小，較為適合該系統(tǒng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制需測(cè)量出異步電動(dòng)機(jī)定子電流與電壓的具體數(shù)值，然后通過(guò)空間矢量理論的方法計(jì)算出轉(zhuǎn)矩與磁鏈，通過(guò)與定值相互比較后進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的控制[5]。該轉(zhuǎn)矩控制回路如圖2所示。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)啟動(dòng)或停止磁鏈從而改變其數(shù)值，使得轉(zhuǎn)矩可以控制在允許的范圍之內(nèi)，保持參數(shù)正常，維持運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩與磁鏈的轉(zhuǎn)換公式為：

式中：T為電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；L為定子自感；N為電機(jī)極對(duì)數(shù)，r/min；γe為定子磁鏈，Gs；γx為轉(zhuǎn)子磁鏈，Gs；θ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，度；us為定子磁鏈，Gs；u（t）為定子電壓；i（t）為定子電流；R為電阻，Ω。

3.2 PLC可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)

（1）PLC選型及設(shè)計(jì)

絞車最大牽引力為280 kN，電機(jī)額定功率為37 kW，最大額定轉(zhuǎn)速為970 r/min。選用三菱公司的FU3U-64MR型PLC。該P(yáng)LC還自帶時(shí)鐘、可多模塊控制多軸定位、PID模擬閉環(huán)控制與數(shù)學(xué)指令集功能，性價(jià)比較高。在PLC控制器設(shè)計(jì)中，采用冗余控制的方法，使用雙PLC設(shè)計(jì)法使設(shè)備運(yùn)行更加安全、可靠。其控制原理如圖3所示。

圖3 冗余控制系統(tǒng)原理

主控的PLC主要對(duì)速度、數(shù)字量與模擬量信號(hào)接收處理、信號(hào)處理邏輯進(jìn)行控制。另一套PLC主要起到監(jiān)控的作用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絞車的速度、位置與各類參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常就發(fā)出報(bào)警信號(hào)進(jìn)行提醒[6]。在PLC系統(tǒng)中還加入了過(guò)卷保護(hù)、過(guò)速保護(hù)、磨損保護(hù)、繩松保護(hù)等各類防護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)會(huì)立即發(fā)送到兩套PLC上，兩套PLC中任意一套都可以對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理與響應(yīng)，若其中一套發(fā)生故障另外一套同樣可以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，這就是冗余控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[7]。

（2）外圍控制硬件設(shè)計(jì)

①供電電路配件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的供電電壓選用660V交流電壓進(jìn)行供電，隔離換向開(kāi)關(guān)選用CHK-200A/1140V開(kāi)關(guān)進(jìn)行主電路隔離與空載時(shí)的電源相序改變。CHK-200A/1140V型隔離換向開(kāi)關(guān)具有較強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰?，在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能快速帶負(fù)荷分閘，適合于組成超高壓礦用隔離電磁啟動(dòng)器。為保證電路安全，電路設(shè)計(jì)使用了RS32-200A快速熔斷器，通過(guò)與隔離換向開(kāi)關(guān)配合進(jìn)行電路安全保護(hù)。

②安全保護(hù)回路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的安全回路共設(shè)計(jì)兩條回路。其中一條直接與PLC系統(tǒng)相連，主要為繼電器硬件保護(hù)，另外一條接入PLC控制程序中，實(shí)現(xiàn)程序保護(hù)。當(dāng)遇到重要故障信號(hào)時(shí)，無(wú)論P(yáng)LC是否處于工作狀態(tài)，故障信號(hào)會(huì)直接越過(guò)PLC將信號(hào)發(fā)送至繼電器，通過(guò)繼電器使回路制動(dòng)，從而達(dá)到快速響應(yīng)的效果。如果是輕故障信號(hào)，信號(hào)則會(huì)傳輸至PLC控制程序中，由控制程序?qū)收闲盘?hào)進(jìn)行分析處理[8]。

③傳感器與信號(hào)采集器的選型

傳感器與信號(hào)采集器是系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供控制依據(jù)的重要部件。本系統(tǒng)需對(duì)行程開(kāi)關(guān)、溫度與壓力傳感器、編碼器與信號(hào)采集器進(jìn)行選型。

行程開(kāi)關(guān)是一種小型主令電器，主要應(yīng)用于控制某一運(yùn)動(dòng)軌跡的零部件，當(dāng)部件撞擊開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)或者接通電路，從而達(dá)到控制部件行程的目的。本系統(tǒng)選用正泰YBLX-ME-810行程開(kāi)關(guān)，其額定電壓為380V/220V，額定電流為0.8A/0.16A。液壓站與潤(rùn)滑站的機(jī)油需進(jìn)行壓力與穩(wěn)定的檢測(cè)。本系統(tǒng)選用CWDZ11型溫度傳感器與DATA-52型壓力傳感器。信號(hào)采集器選用歐姆龍的E6B2-C型采集器，其額定電壓為5V，分辨率為2 000 P[9]。

3.3 主程序設(shè)計(jì)

礦用絞車控制系統(tǒng)主程序主要包括初始化部分、軟安全回路部分、PLC控制部分、液壓站控制部分、通訊設(shè)置以及速度監(jiān)控六部分。其中，初始化部分主要需對(duì)傳動(dòng)減速比、鋼繩參數(shù)、AD模塊以及DA模塊初始化設(shè)置。通過(guò)軟安全回路進(jìn)行安全判斷，保證線路暢通，依據(jù)信號(hào)對(duì)絞車的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制。當(dāng)進(jìn)入停車點(diǎn)和減速點(diǎn)時(shí)會(huì)對(duì)速度與設(shè)定速度進(jìn)行差距判斷，若未達(dá)到最大限度即可進(jìn)行下一步驟；若達(dá)到設(shè)定速度則進(jìn)行抱閘處理。礦用絞車的主程序流程示意圖如圖4所示。

圖4 礦用絞車主程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

將變頻+可編程控制系統(tǒng)連入礦用絞車系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，礦用絞車主界面如圖5所示。該礦用絞車控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)速平滑，卡頓現(xiàn)象明顯減少；連續(xù)運(yùn)行500 h后無(wú)系統(tǒng)故障發(fā)生；絞車故障檢測(cè)系統(tǒng)靈敏，故障處理符合邏輯，測(cè)試效果符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 礦用絞車主界面

5 結(jié)論

司馬煤礦所用的JSDB系列JSDB-16型礦用絞車具有故障率高、可靠性差、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，引入變頻+可編程控制的方法對(duì)JSDB-16型礦用絞車控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

1）變頻器與PLC選用FR-F440-45K-CHT與FU3U-64MR型，配以直接轉(zhuǎn)矩控制的方法完成的礦用絞車自動(dòng)控制系統(tǒng)符合使用要求。

2）優(yōu)化后的控制系統(tǒng)故障率明顯降低、運(yùn)行更加安全可靠、自動(dòng)化程度與控制精度明顯提高，提高了絞車的安全性和使用效率。