礦用絞車電控系統(tǒng)控制方法研究與設(shè)計(jì)

郭鵬飛

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦，山西 太原 030053）

引言

礦用絞車是煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)礦井的物料和人員運(yùn)輸任務(wù)，其性能直接影響煤礦生產(chǎn)效率以及安全生產(chǎn)。礦用絞車使用過(guò)程中的調(diào)速性能是其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，傳統(tǒng)礦用絞車調(diào)速控制多采用轉(zhuǎn)子串、切電阻調(diào)速方式，缺點(diǎn)為調(diào)速不平滑、穩(wěn)定性差。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外煤礦科研機(jī)構(gòu)以及企業(yè)做了大量的研究工作。文章以礦用絞車為研究對(duì)象，將控制器技術(shù)與變頻器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)礦用絞車的智能控制，提高礦用絞車控制系統(tǒng)的運(yùn)行精度，提高運(yùn)行的可靠性，增強(qiáng)運(yùn)行的安全性。

1 控制系統(tǒng)工作原理

煤礦用絞車控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示，交流1 140 V 高壓電源經(jīng)電源轉(zhuǎn)換后為低壓配電柜供電，并由低壓配電柜為控制系統(tǒng)內(nèi)的其他用電設(shè)備供電，如變頻器、操作臺(tái)、顯示器、傳感器等，電壓等級(jí)為DC24 V、DC12 V 以及DC5 V。在礦用絞車車身布置有行程開(kāi)關(guān)、壓力傳感器、溫度傳感器等現(xiàn)場(chǎng)傳感器以及檢測(cè)儀表，實(shí)時(shí)記錄并傳送絞車運(yùn)行狀態(tài)信息。礦用絞車異步變頻電動(dòng)機(jī)配置有旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)反饋絞車實(shí)際轉(zhuǎn)速。礦用絞車工作時(shí)，有操作臺(tái)給出運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等指令，經(jīng)控制系統(tǒng)解析并分析現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)及檢測(cè)儀表反饋的數(shù)據(jù)后，以Modbus 通信模式控制變頻器按照指定模式運(yùn)行。變頻器驅(qū)動(dòng)絞車異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式可為轉(zhuǎn)速模式，也可為轉(zhuǎn)矩模式?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)設(shè)置給定轉(zhuǎn)矩、母線電流限制及最高轉(zhuǎn)速限制等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車異步電動(dòng)機(jī)的變頻控制。變頻器可將異步絞車異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、IGBT 溫度、電機(jī)溫度等值反饋給控制系統(tǒng)，并參與邏輯控制。為保證對(duì)礦用絞車操作的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，控制系統(tǒng)與操作臺(tái)之間以Modbus通信模式完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。

圖1 煤礦絞車控制系統(tǒng)工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

礦用絞車控制系統(tǒng)用到的硬件設(shè)備包括變頻器、控制器、行程開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、壓力傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等。根據(jù)礦用絞車控制系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計(jì)方案對(duì)上述硬件進(jìn)行選型。礦用絞車控制系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制方案，為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，輸出功率如下：P=Tn/9 550 . （1）式中：P 為絞車異步電動(dòng)機(jī)功率，kW；T 為絞車異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；n 為絞車異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

礦用絞車啟動(dòng)過(guò)程時(shí)啟動(dòng)電流較大，選用的變頻器容量為絞車異步電動(dòng)機(jī)容量的1.1～1.5 倍，本文研究的礦用絞車異步電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率為37 kW，因此選用三菱的FR-F440-45K-CHT 型變頻器，其額定輸出功率為45 kW。該變頻器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，具備自調(diào)諧功能，能夠提高礦用絞車異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)效率。該變頻器支持CAN、CanOpen、Modbus 等多種通信模式，支持PID 控制，能夠保證礦用絞車平穩(wěn)調(diào)速，避免急劇加減速。PLC 控制器選用三菱公司的FU3U-64MR，該控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)容易、使用簡(jiǎn)單、安裝方便的特點(diǎn)。該控制器可通過(guò)PID指令實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制，支持浮點(diǎn)運(yùn)算、三角函數(shù)等數(shù)學(xué)指令集；能夠方便地?cái)U(kuò)展模塊，響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大。

行程開(kāi)關(guān)選用正泰的YBLX-ME-810 型，該行程開(kāi)關(guān)是一種小電流主令電器，通過(guò)控制電路接通、斷開(kāi)達(dá)到限制絞車機(jī)械運(yùn)動(dòng)的目的。絞車自動(dòng)控制系統(tǒng)中用到的行程開(kāi)關(guān)為10 個(gè)，分別指示絞車上深度、下深度、中間深度、上過(guò)卷、下過(guò)卷等。溫度傳感器選用的型號(hào)為CWDZ11，為插入式結(jié)構(gòu)，采用Pt100 將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并輸出至PLC 控制器。壓力傳感器選用的型號(hào)為DATA-52，該傳感器的量程為0～1 MPa，可將檢測(cè)到的壓力值轉(zhuǎn)換為4～20 mA 電流信號(hào)并通過(guò)RS485 通信模式傳送給PLC 控制器。旋轉(zhuǎn)編碼器選用的是歐姆龍的E6B2-C，最大分辨率為2 000 P/r，PLC 控制器實(shí)時(shí)采集該旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)并對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻控制。礦用絞車控制系統(tǒng)配置有操作臺(tái)，在操作臺(tái)上集成了礦用絞車的控制按鈕，如分閘/合閘、潤(rùn)滑泵啟停、制動(dòng)泵啟停、啟動(dòng)允許、急停、復(fù)位、上過(guò)卷/正常/下過(guò)卷、速度控制、手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行模式等按鈕。PLC 控制器與操作臺(tái)以物理模式進(jìn)行連接，當(dāng)操作臺(tái)上的按鈕有效后將信號(hào)傳送至PLC 控制器。PLC 控制器響應(yīng)并完成操作臺(tái)對(duì)礦用絞車的控制。在操作臺(tái)上還配置有12 寸的液晶顯示器，用于顯示礦用絞車的運(yùn)行狀態(tài)以及故障信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦用絞車控制系統(tǒng)工作原理以及硬件接線原理，基于三菱公司公開(kāi)發(fā)的GXWork2 編程軟件平臺(tái) 進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，采用StructuredProject 編程方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)礦用絞車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)劃分為初始化模塊、軟安全回路模塊、變頻控制模塊、液壓控制模塊、速度測(cè)量模塊以及通信模塊六部分。初始化模塊完成異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)減速比、鋼絲繩系數(shù)、鋼絲直徑值參數(shù)的設(shè)置和初始化，還需完成A/D 模塊的初始化。軟安全回路模塊用于監(jiān)測(cè)是否存在變頻器故障、絞車超速故障、鋼絲繩斷開(kāi)故障、油壓過(guò)壓故障、行程開(kāi)關(guān)故障、傳感器故障等，只要檢測(cè)到故障發(fā)生，軟安全回路立即斷開(kāi)并觸發(fā)聲光語(yǔ)音報(bào)警。變頻控制模塊用于完成對(duì)絞車異步電動(dòng)機(jī)的變頻控制，如啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等。液壓控制模塊用于對(duì)潤(rùn)滑泵和制動(dòng)泵進(jìn)行控制，如啟停、抱閘、加入潤(rùn)滑劑等。速度測(cè)量模塊用于完成對(duì)絞車異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)和測(cè)量，通過(guò)獲取并解析E6B2-C 旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖輸出次數(shù)精確獲取絞車運(yùn)行速度。通信模塊用于建立并維護(hù)控制器與變頻器、控制器與操作臺(tái)之間的Modbus 通信連接，保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。礦用絞車控制系統(tǒng)軟件詳細(xì)流程如圖2 所示，當(dāng)控制系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化、接通軟安全回路、獲取提升信號(hào)、行車方向且液壓站油壓正常時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)并松閘。當(dāng)?shù)V用絞車運(yùn)行速度達(dá)到給定值后恒速運(yùn)行；當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度超過(guò)給定值的15%時(shí)，延時(shí)200 ms 后抱閘。當(dāng)?shù)V用絞車運(yùn)行至減速點(diǎn)時(shí)自動(dòng)減速，運(yùn)行速度降至給定值后達(dá)到終點(diǎn)停車；當(dāng)?shù)V用絞車運(yùn)行速度為降至給定值且超過(guò)給定的10%，延時(shí)200 ms 后抱閘。

圖2 煤礦絞車控制系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

為提升礦用絞車的運(yùn)行可靠性，基于礦用絞車工作原理，采用三菱FU3U-64MR 控制器以及三菱FR-F440-45K-CHT 型變頻器為核心，對(duì)礦用絞車的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造；經(jīng)技改后的絞車控制試驗(yàn)運(yùn)行效果良好，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了絞車平滑調(diào)速、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，大幅提升了煤礦運(yùn)輸效率。