提升機直流調速控制策略及現場調試

劉愿圓

（晉能控股集團挖金灣煤業(yè)公司輔助運輸管理部， 山西 大同 037001）

0 引言

提升機為煤礦生產中的主要提升設備，其作為煤礦地面和工作面的主要運輸通道，承擔著對物料、人員、材料以及設備的運輸任務。對于提升機而言，除了保證其正常的運輸量外，對其運輸的安全性、可靠性的要求也較高。傳統(tǒng)提升機采用晶閘管調速裝置進行控制，但是該裝置存在硬件電路復雜、故障率高、穩(wěn)定性差以及控制精度低等問題。為解決上述問題，本文將結合直流調速裝置的抗干擾能力、調速簡單以及制動性能等優(yōu)勢應用于提升機的調速控制中，并針對性地完成設計相應的控制策略[1-7]。

1 提升機直流調速設計

本文所研究提升機屬于落地型多繩摩擦輪提升，該提升機所配套的提升機器為雙層四車雙罐籠礦車。該提升機的具體工作參數如表1 所示。

表1 提升機具體工作參數

為該提升機所配套電動機的具體型號為ZKTD250/67，其額定功率為1700kW，額定轉速為52r/min。與其他設備的直流調速系統(tǒng)相似，提升機直流調速控制系統(tǒng)可以劃分為六個部分，分別為動力系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、全數字直流調速系統(tǒng)、安全回路以及檢測監(jiān)控系統(tǒng)等。結合提升機的實際工作狀態(tài)，其直流調速控制系統(tǒng)需完成對提升容器的主加速、勻速、主減速、爬行以及停車等控制狀態(tài)[8-10]。同時，結合提升機的實際工況，要求提升機直流調速控制系統(tǒng)滿足四象限運行功能、具備高精度的調速功能、可實現平滑的調速功能、可對行程進行實時顯示和控制等功能。

針對提升機直流調速控制需求，本系統(tǒng)采用PLC控制器和直流調速裝置實現其功能。其中，所配套PLC 控制器的具體型號為S7-3000 型。所選擇配套直流調速裝置為6RA70 型整流器，該直流調速裝置具有高控制精度、維護成本低、高性價比等基礎優(yōu)勢；同時，6RA70 型整流器可采用更先進的控制算法對設備進行控制，與傳統(tǒng)的模擬電路的直流調速裝置具有本質的區(qū)別。

為實現提升機直流調速控制的功能，保證設備的可靠性和安全性，為其配套的關鍵傳感器及其功能如表2 所示。

表2 直流調速控制系統(tǒng)關鍵傳感器及其功能

2 提升機直流調速控制策略

2.1 雙閉環(huán)直流調速方式

在上述硬件的基礎上，為進一步提升直流調速裝置對提升機控制的響應速度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，本系統(tǒng)將采用雙閉環(huán)型的調速系統(tǒng)。所謂雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)指的是，控制系統(tǒng)包含有基于電流的內環(huán)控制系統(tǒng)和基于轉速的外環(huán)控制系統(tǒng)，具體結構如圖1 所示。

圖1 雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)

如圖1 所示，ASR 為轉速調節(jié)器，為基于轉速的外環(huán)控制系統(tǒng)核心；ACR 為電流調節(jié)器，為基于電流的內環(huán)控制系統(tǒng)核心。兩個調節(jié)以串聯的方式實現連接，對保證整個系統(tǒng)的抗干擾性能、靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性具有重要基礎。

2.2 模糊PID 直流調速控制策略

針對上述電流和轉速的雙閉環(huán)控制要求，對于電流對應的內環(huán)控制系統(tǒng)和基于轉速的外環(huán)控制系統(tǒng)采用模糊PID 控制策略實現其功能。

PID 控制器為當前工業(yè)中應用較為廣泛的控制器，其基本結構包括有比例調節(jié)器、積分調節(jié)器和微分調節(jié)器。其中，比例調節(jié)器的主要功能是保證系統(tǒng)的響應速度；積分調節(jié)器的功能是保證系統(tǒng)的控制精度；微分調節(jié)器的功能為減少系統(tǒng)超調量。

為保證提升機運行的安全性和可靠性，提升直流調速控制系統(tǒng)的控制精度、響應速度是十分有必要的。實踐表明，采用常規(guī)PID 控制無法保證系統(tǒng)能夠得到最佳、最優(yōu)的控制效果。因此，本文中提升機的直流調速控制系統(tǒng)將采用模糊PID 控制器實現其電流環(huán)和轉速環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。模糊PID 控制器結構如圖2 所示。

圖2 模糊PID 控制器結構示意圖

基于模糊控制器可根據常規(guī)PID 控制器中的Kp、Ki和Kd三個初始參數進行不斷優(yōu)化糾正，實現對系統(tǒng)最優(yōu)、最佳控制?；谀：齈ID 控制策略所建立的提升機直流調速控制系統(tǒng)的傳遞函數如式（1）所示：

根據提升機的實際運行工況，設定PID 控制器中Kp=20、Ki=1.29、Kd=3.6，根據模糊控制規(guī)則確定解模糊因子分別為K1=0.5，K2=K3=0.01?；赟imulink 軟件對基于常規(guī)PID 控制器和模糊PID 控制器的直流調速控制系統(tǒng)的控制效果進行仿真對比分析，仿真結果如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常規(guī)PID 控制器控制效果對比

如表3 所示，基于模糊PID 控制器比基于常規(guī)PID 控制器具有更佳、更優(yōu)的控制效果。首先，基于模糊PID 控制器可在不到1 s 的時間內實現系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)；在調節(jié)控制過程中超調量僅為0.16%，可以忽略不計?？偟膩碇v，基于模糊PID 控制策略可進一步提升直流調速控制系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性能。

3 直流調速控制系統(tǒng)調試結果

根據直流調速系統(tǒng)的核心及其控制策略完成設計后應用提升機控制的實際生產中。為保證運行的安全性，在運行前需要對系統(tǒng)開展接線檢查、絕緣檢查、上電檢查等一系列檢查動作，并依次開展傳動、PLC功能、空載運行、帶載運行、過載運行以及停車試驗進行調試工作。所設計的提升機直流調速控制系統(tǒng)的實時運行監(jiān)測畫面如圖3 所示。

圖3 直流調速控制系統(tǒng)實際運行監(jiān)測畫面

在整個調試過程中，提升機直流調速控制系統(tǒng)各個分系統(tǒng)、零部件均可正常運行；尤其是可對提升容器位置和速度的實時監(jiān)測；并且，當提升機運行出現故障或者安全隱患時，系統(tǒng)能夠及時報警并停機，而且可對故障類別及位置進行快速確定，為故障的排查奠定基礎。

4 結語

提升機為煤礦綜采工作面生產的關鍵運輸設備，其承擔人員、物料、設備以及煤炭的運輸任務。對于提升機而言，保證其運行的安全性、可靠性尤為重要。為此，本文針對傳統(tǒng)提升機調速控制系統(tǒng)精度低、響應速度慢以及安全系數低的問題；采用基于PLC 和直流調速裝置為核心設計了直流調速控制裝置，并根據提升機運行工況完成了直流調速的模糊PID 控制策略設計。通過實踐調試應用，提升機在直流調速控制的作用下可實現高精度、快速響應的控制，而且還對故障進行準確定位。