架空乘人裝置四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

楊 洋

(山西格瑞泰科技有限公司，山西 太原 030031)

0 引言

架空乘人裝置牽引力大、爬坡能力強(qiáng)，適用于采區(qū)煤層上(下)山工作面順槽及綜掘巷道的人員輔助連續(xù)運(yùn)輸。本文介紹的架空乘人裝置四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，能滿足架空乘人裝置的各種運(yùn)行方式，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)變頻調(diào)速、軟啟動(dòng)，低頻轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，功率因數(shù)高，諧波含量低，能很好地防止架空乘人裝置的事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)無人值守功能，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，并且能將下放和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)能轉(zhuǎn)變成電能回饋給電網(wǎng)，可節(jié)電20%～30%，具有十分明顯的節(jié)能效果。

1 四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)概述

該架空乘人裝置四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)包括：①電源進(jìn)線柜一臺(tái)；②變頻柜一臺(tái)；③回饋制動(dòng)柜一臺(tái)；④PLC控制兼司機(jī)操作臺(tái)一套；⑤軸編碼器兩套；⑥掉繩和重錘保護(hù)傳感器16臺(tái)套；⑦上位顯示器一臺(tái)；⑧拉線急停和語音通信系統(tǒng)15臺(tái)套；⑨紅外熱釋傳感器二套。

架空乘人裝置的電機(jī)型號(hào)為YBPT280M-6，額定功率為75 kW、頻率為50 Hz，額定電壓為380 V，功率因數(shù)0.88；減速機(jī)型號(hào)為MC3RVSF08-40，減速比為40∶1；安裝長度約1 349 m，最大傾角16°；工作制度為330天/年，16小時(shí)/天；最大輸送人員(單向)為198人/h，可同時(shí)雙側(cè)上下人；防爆電力液壓塊式制動(dòng)器型號(hào)為BYWZ3B-315/45；輪邊制動(dòng)器型號(hào)為YLBZ40-160；吊椅數(shù)量為360個(gè)；運(yùn)行速度為1.20 m/s，最大運(yùn)行速度不大于1.6 m/s，達(dá)到最高速度時(shí)可滿足295人/h的運(yùn)送要求；井口、井底上下人位置安裝零速度上下人裝置。

該系統(tǒng)采用變頻調(diào)速結(jié)合PLC控制技術(shù)，根據(jù)架空乘人裝置的實(shí)際負(fù)載大小無級(jí)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度[1]。變頻器選用ABB變頻器ACS880系列，能量回饋單元選用深圳加能PSG-06系列，可在運(yùn)行過程中隨時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，自動(dòng)調(diào)整功率輸出，使電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行于最佳狀態(tài)，并判斷母線電壓，當(dāng)其高于設(shè)定電壓時(shí)，能量回饋單元啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種工作方式，即手動(dòng)工作方式、自動(dòng)控制方式和點(diǎn)動(dòng)工作方式，各種控制方式轉(zhuǎn)換靈活，有效地保證了輔助運(yùn)輸系統(tǒng)工作的連續(xù)性。操作臺(tái)上設(shè)有數(shù)字轉(zhuǎn)速表、數(shù)字電流表和數(shù)字電壓表，用以顯示架空乘人裝置的運(yùn)行速度、電機(jī)電流和電源電壓。當(dāng)該系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)閉鎖，而且只有在清除故障并使系統(tǒng)復(fù)位后才能重新啟動(dòng)運(yùn)行。上位機(jī)可動(dòng)態(tài)模擬顯示架空乘人裝置運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能實(shí)時(shí)顯示故障狀態(tài)、故障性質(zhì)和故障原因分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非正常運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)處理。

系統(tǒng)通過紅外熱釋傳感器實(shí)現(xiàn)無人值守功能[2]，即沒有人乘坐時(shí)，架空乘人裝置停止運(yùn)行，減少損耗；一旦有人乘坐，架空乘人裝置自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到有人到達(dá)下車點(diǎn)時(shí),播放"您已到站,請(qǐng)下車"的語音提示,以確保人身安全。全巷道內(nèi)設(shè)有語音通話和背景音樂系統(tǒng)[3]，可實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)人與人之間的通話、播放重要通知和上下班背景音樂。系統(tǒng)設(shè)有軸編碼器兩套，分別安裝在架空乘人裝置電機(jī)的高速軸和低速軸上，編碼器將數(shù)字脈沖信號(hào)傳送到PLC的高速輸入端，用來監(jiān)測(cè)架空乘人裝置的運(yùn)行速度，同時(shí)兩個(gè)軸編碼器互相獨(dú)立，相互監(jiān)視。

系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)如下安全保護(hù)功能：①全巷道拉線急停保護(hù)；②超速、欠速打滑保護(hù)；③機(jī)頭、機(jī)尾越位保護(hù)；④掉繩保護(hù)；⑤重錘上、下限位保護(hù)，即鋼絲繩過緊、過松保護(hù)；⑥過流、過壓、欠壓保護(hù)；⑦電機(jī)溫度過高保護(hù)；⑧減速機(jī)溫度過高保護(hù)；⑨制動(dòng)器失效保護(hù)；⑩同其他電氣互鎖保護(hù)。

2 四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 PLC系統(tǒng)

可編程控制器配置如下：

(1) CPU主模塊：FX3U-128MR，是控制系統(tǒng)的核心，本身帶有64點(diǎn)輸入和64點(diǎn)輸出。

(2) 以太網(wǎng)通信模塊：FX3U-ENET-ADP。

(3) 輸入擴(kuò)展模塊：FX2N-16EX，16點(diǎn)輸入。

(4) 輸出擴(kuò)展模塊：FX2N-16EYR，16點(diǎn)輸出。

(5) 模擬量輸入模塊：FX3U-4AD，輸入通道4個(gè)，最大分辨率12位。

2.2 變頻器系統(tǒng)

(1) 變頻器選用ABB公司ACS880-01-174A-7，輕載功率為160 kW，重載功率為132 kW，采用最先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)和安全力矩中斷(STO)技術(shù)，克服了變頻器矢量控制方式的不足，具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能。

(2) 回饋模塊選用深圳加能PSG-06-160H，額定電壓為660 V，額定功率為160 kW，額定電流為145 A，可實(shí)現(xiàn)完全的正弦波能量回饋，其本身含有輸入電抗器和噪聲濾波器，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)和周邊的電器設(shè)備造成干擾。

2.3 拉線急停和語音通信系統(tǒng)

(1) 主機(jī)：型號(hào)KHP156-Z2，1臺(tái)，是拉線急停和語音通信系統(tǒng)的主機(jī)，當(dāng)需緊急停車時(shí)，拉下鋼絲繩，急停信號(hào)會(huì)通過RS485總線傳至KHP156-Z2主機(jī)，再通過主機(jī)輸出給PLC，從而停止架空乘人裝置的運(yùn)行，急?；謴?fù)后，架空乘人裝置才能運(yùn)行，主機(jī)可顯示幾號(hào)急停開關(guān)動(dòng)作；作為語音通信系統(tǒng)和打點(diǎn)使用時(shí)，能實(shí)現(xiàn)音量控制、頻道顯示、呼叫和通話等功能。

(2) 拉線急停：型號(hào)KHJ-0.2/12B，15臺(tái)，與主機(jī)配套使用，在井下沿巷道均勻布置，互相用細(xì)鋼絲繩連接。

(3) 信號(hào)放大器:型號(hào)KLH0.5/12，2臺(tái)，用于放大信號(hào)，延長系統(tǒng)通訊距離。

(4) 語音通話打點(diǎn)器：KXH127，15臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)、通話和背景音樂播放等。

2.4 上位監(jiān)控系統(tǒng)

上位觸摸顯示屏：THA62-MT，14吋彩顯，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，故障時(shí)提供故障性質(zhì)和故障原因分析，由無錫信捷電氣股份有限公司生產(chǎn)。

2.5 掉繩保護(hù)傳感器

型號(hào)GEJ25/35，14臺(tái)，裝于上坡變道點(diǎn)，用于檢測(cè)架空乘人裝置鋼絲繩是否掉道。

2.6 重錘檢測(cè)傳感器

型號(hào)GEJ25/35，2臺(tái)，裝于機(jī)尾，用于架空乘人裝置鋼絲繩過緊、過松檢測(cè)。

2.7 紅外熱釋傳感器

型號(hào)HY-02A-G5X，2臺(tái)，用于檢測(cè)是否有人員到達(dá)，實(shí)現(xiàn)無人值守和發(fā)出"您已到站,請(qǐng)下車"的語音報(bào)警提示。

2.8 旋轉(zhuǎn)編碼器

型號(hào)ZXF-10BM-C24C，2臺(tái)，用于檢測(cè)架空乘人裝置的運(yùn)行速度。

3 四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC軟件

PLC軟件采用三菱公司的GX DEVELOPER軟件，可滿足與觸摸顯示屏的通訊、與礦井生產(chǎn)調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，其梯形圖編輯功能完全能滿足架空乘人裝置控制的具體要求。

PLC在檢測(cè)架空乘人裝置的運(yùn)行速度時(shí)，兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號(hào)分別接在其高速計(jì)數(shù)器X0和X1上，程序采用中斷子程序檢測(cè)其脈沖個(gè)數(shù)，每隔99 ms檢測(cè)一次，然后把數(shù)據(jù)傳送到PLC數(shù)據(jù)存貯器中進(jìn)行計(jì)算處理，當(dāng)PLC發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行速度超過設(shè)定的速度時(shí)，立即停止架空乘人裝置的運(yùn)行。

3.2 上位監(jiān)控軟件

觸摸顯示屏軟件選用無錫信捷電氣股份有限公司的Touch Win編輯軟件，它支持任意大小和任意字體，支持BMP和JPG格式的圖片，65536真彩色顯示，具有數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)控、棒狀圖、實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)圖、時(shí)間趨勢(shì)圖、XY趨勢(shì)圖、XY折線圖、離散/連續(xù)數(shù)據(jù)柱狀圖、實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警記錄等完善的控制功能，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)多重組網(wǎng)，突破傳統(tǒng)控制方式，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多的多重組網(wǎng)模式，完全能滿足架空乘人裝置的顯示要求。

4 結(jié)論

該架空乘人裝置四象限變頻調(diào)速控制系統(tǒng)不僅可以將電動(dòng)機(jī)回饋產(chǎn)生的能量反送到電網(wǎng)，達(dá)到徹底的節(jié)能效果，而且可以減少設(shè)備的機(jī)械磨損，延長了架空乘人裝置的使用壽命，節(jié)約了成本，提高了輸入功率因數(shù)，消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，為實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，值得在其他煤礦推廣應(yīng)用。