煤礦無極繩絞車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賀敏慧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦， 山西 晉城 048200）

引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程也越來越快，在工業(yè)化發(fā)展過程中，煤炭資源是一種必不可少的資源。伴隨煤炭需求的逐漸增多，煤礦開采的深度也在不斷增加，復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境使得煤礦的開采過程受到了一定阻礙，也推動(dòng)了煤礦開采技術(shù)的飛速發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)、故障診斷等新興技術(shù)的出現(xiàn)，煤礦開采也逐漸朝著機(jī)械化和智能化的方向飛速前行，無極繩絞車是煤礦開采過程中所需的重要設(shè)備之一，主要應(yīng)用于大傾角、大載荷的工作環(huán)境之中。但是現(xiàn)階段多數(shù)煤礦無極繩絞車電機(jī)控制的方式仍然為直啟或軟啟，難免會(huì)在工作過程中出現(xiàn)絞車控制精度較低等問題。該領(lǐng)域內(nèi)的諸多學(xué)者也對(duì)無極繩絞車現(xiàn)存問題進(jìn)行了分析，其中陳甲君[1]指出，無極繩絞車的待改進(jìn)之處包括啟動(dòng)電流數(shù)值過大、運(yùn)行過程中振動(dòng)較大以及抗干擾能力較弱等，在此基礎(chǔ)上通過控制系統(tǒng)提升無極繩絞車的速度控制精度，并采取人工魚群算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，使得控制系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性。本文主要通過變頻控制器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，能夠提升控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，為同類型礦井無極繩絞車控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定借鑒。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確運(yùn)輸?shù)哪繕?biāo)，無極繩絞車運(yùn)行過程中的相關(guān)要求包括：在實(shí)現(xiàn)方向精確控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)速度的精確控制，包括系統(tǒng)速度變化的控制以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)速度的及時(shí)變化和調(diào)整，確保絞車運(yùn)行過程中不會(huì)由于速度參數(shù)不合理導(dǎo)致絞車運(yùn)行不可控現(xiàn)象的出現(xiàn)，上述功能要求均可通過變頻調(diào)速控制器實(shí)現(xiàn)。無極繩絞車內(nèi)部通過液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，具有調(diào)節(jié)效率高、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)控制方式的不同，容積調(diào)速能夠分成手動(dòng)調(diào)速和與電控調(diào)速兩類，而這雖然在操作方式上略有差異，但是都能夠?qū)崿F(xiàn)速度調(diào)節(jié)的要求。容積調(diào)速的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)節(jié)精度較高，不會(huì)出現(xiàn)節(jié)流、溢流等情況，調(diào)速過程較為穩(wěn)定使得系統(tǒng)運(yùn)行的效率有所提升。通常情況下液壓系統(tǒng)包括以下幾個(gè)組成部分：主回路、操控回路以及制動(dòng)回路等。本文基于PLC 對(duì)液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

無極繩絞車變頻調(diào)速原理圖如圖1 所示，變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠分為以下模塊：變頻器、PLC、控制臺(tái)以及上位機(jī)等。PLC 控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，主要作用是接收信息采集模塊收集的系統(tǒng)壓力和速度值等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行邏輯處理后將命令傳輸至控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)命令的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)控制變頻器模式的切換和數(shù)值的調(diào)節(jié)。電機(jī)和變頻器采用U/V/W 的方式關(guān)聯(lián)，一旦絞車進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，編碼軟件會(huì)將收集的速度參數(shù)等信號(hào)傳輸至PLC 控制器處，PLC 控制器將信息進(jìn)行分類和邏輯處理之后通過CAN 通信模式傳輸至上位機(jī)，最后在顯示屏上呈現(xiàn)給操作人員，該方式能夠提升操作人會(huì)員的管理效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絞車運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題并進(jìn)行維護(hù)調(diào)修。

圖1 無極繩絞車變頻調(diào)速原理圖

1.2 硬件選型

PLC 控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件核心，型號(hào)選取十分重要，本次設(shè)計(jì)選取西門子S7-226-AC/DC/RELAY 型號(hào)的控制器，該型號(hào)控制器具有內(nèi)部存儲(chǔ)空間較大、擴(kuò)展性較好等優(yōu)勢(shì)?？刂破鞯闹绷髂K型號(hào)為EM223-181/180 因此運(yùn)行過程中穩(wěn)定性較高、井下工作過程中數(shù)據(jù)傳輸精度較高[3]。模擬量擴(kuò)展模塊選用EM231-AI-6×12BITS，該型號(hào)具有井下信息傳輸較為準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)礦井中由于爆破造成的振動(dòng)現(xiàn)象；電機(jī)選取礦用YBBP-315S-4 三相異步電機(jī)，額定功率、電流和轉(zhuǎn)速分別為110 kW、200.4 A 以及1 500 r/min，常規(guī)環(huán)境下工作效率 93% ； 變 頻器選取三 菱 700 系列FR-A740-132KCHT 型號(hào)，變頻精度 10.2% ，額定容量132 kW，輸出頻率保持在0.2～400 Hz 范圍內(nèi)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分程序組成為1 個(gè)PLC 主程序以及12 個(gè)子程序，相互間通過通信模塊實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，其中子程序的主要作用為無極繩絞車運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)處理、模式切換以及參數(shù)調(diào)節(jié)等，PLC 軟件控制程序結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 PLC 軟件控制程序結(jié)構(gòu)示意圖

無極繩絞車的變頻控制系統(tǒng)的主要功能包括絞車運(yùn)行過程中的模式切換、參數(shù)調(diào)節(jié)以及變頻啟動(dòng)等，此外由于系統(tǒng)集成有PLC 控制模塊，因此在絞車運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和邏輯分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力以及牽引速度等參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取，達(dá)到高精度高效率變頻控制的目的。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了避免突發(fā)情況對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)施造成破壞，應(yīng)當(dāng)在子程序模塊中設(shè)置保護(hù)子程序和緊急制動(dòng)子程序，一旦絞車運(yùn)行過程中相關(guān)參數(shù)超過了允許范圍，收集的信息會(huì)及時(shí)傳輸至PLC 控制器中，PLC 控制器在對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理后會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的命令，實(shí)現(xiàn)緊急狀態(tài)下的系統(tǒng)保護(hù)，避免由于外部因素影響以及內(nèi)部參數(shù)改變?cè)斐上到y(tǒng)出現(xiàn)破壞，提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

變頻器的初始化流程圖如圖3 所示，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)的不同，將變頻器分為故障狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、空閑狀態(tài)以及使能狀態(tài)四個(gè)狀態(tài)。變頻器在使用前需要進(jìn)行初始化，初始化過程中首先需要進(jìn)行故障檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)存在故障，則需要先進(jìn)性故障清理，清理完畢后或者故障檢測(cè)通過后即可進(jìn)入準(zhǔn)備階段，如果系統(tǒng)并非重新啟動(dòng)，則無需進(jìn)行故障檢測(cè)，直接進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)即可，準(zhǔn)備狀態(tài)下控制系統(tǒng)發(fā)出使能指令，使得整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入使能狀態(tài)，設(shè)備啟動(dòng)投入工作。

圖3 變頻器的初始化流程圖

2 運(yùn)行效果分析

將本文設(shè)計(jì)的變頻控制無極繩絞車放入井下實(shí)際工作環(huán)境中進(jìn)行為期3 個(gè)月檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

1）本次設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)在實(shí)地檢驗(yàn)中展現(xiàn)出運(yùn)行過程穩(wěn)定、速度控制精確、控制效率較高以及信號(hào)傳輸較為流暢等優(yōu)勢(shì)，能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境。

2）電機(jī)控制過程中，一旦系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前運(yùn)行速度超過1 500 r/min 時(shí)，此時(shí)反轉(zhuǎn)按鈕無效，控制系統(tǒng)會(huì)先將速度調(diào)節(jié)至降至合理的范圍內(nèi)，隨后執(zhí)行反轉(zhuǎn)命令，避免了設(shè)備的損壞，提升了電機(jī)的使用壽命。

3）系統(tǒng)運(yùn)行過程中，故障的顯示較為迅速且覆蓋面較廣，并且在故障顯示處會(huì)針對(duì)故障類型顯示應(yīng)當(dāng)采取的緊急措施或者解決方案，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4）遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無人化的目標(biāo)，通過信號(hào)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了操作人員指令的快速遠(yuǎn)程傳輸。

3 結(jié)語

本文針對(duì)現(xiàn)階段礦用無極繩絞車井下運(yùn)行過程中存在的急停急啟控制精度較低的問題，基于變頻控制器研發(fā)了一種變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)硬件和軟件模塊的設(shè)計(jì)分析，于此同時(shí)將設(shè)計(jì)好的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地檢驗(yàn)，得出結(jié)論：該變頻控制系統(tǒng)具有運(yùn)行過程較為穩(wěn)定、速度調(diào)節(jié)精度較高以及抗干擾能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，為同類型礦井無極繩絞車控制系統(tǒng)的變頻策略涉及提供了借鑒。