礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊騰飛

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西 太原，030006）

1 概述

伴隨著礦井井型的增大和產(chǎn)能的提高，對礦井提升機(jī)的可靠性也提出了更高的要求[1]。礦井提升機(jī)若出現(xiàn)超速、過卷、過放等問題，會(huì)嚴(yán)重影響礦井正常的安全生產(chǎn)，甚至人員的人身安全[2]。對礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，從而保證礦井提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，對于礦井安全高效生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對于礦井提升機(jī)而言，其最為重要的控制功能是通過主控制單元來實(shí)現(xiàn)的。通過主控制單元可以對礦井提升機(jī)的傳動(dòng)、信號、上位機(jī)等設(shè)備的工況系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對其發(fā)出的各種數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析處理，以此來保證礦井提升機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。嵌入式處理器具備設(shè)備可靠、易于編程、調(diào)試簡便等優(yōu)點(diǎn)，特別是ARM嵌入式處理器因具有優(yōu)異的產(chǎn)品性能、較低的使用能耗、簡易的編程開發(fā)以及高度的運(yùn)行可靠，而被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域[3]。因此，本次設(shè)計(jì)將LPC2131型ARM嵌入式處理器應(yīng)用于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中。

LPC2131型ARM嵌入式處理器，是由世界著名的飛利浦公司開發(fā)生產(chǎn)的一款由ARM公司授權(quán)的32 位嵌入式處理器。該型處理器是以John von Neumann結(jié)構(gòu)的ARM7TDMI-S內(nèi)核為基礎(chǔ)的，通過三級流水線進(jìn)行運(yùn)算處理，并且采用16位指令長度的Thumb結(jié)構(gòu)化策略，對于有限的儲(chǔ)存容積、復(fù)雜的數(shù)據(jù)密度等情況十分適用。

2.2 變頻調(diào)速控制方案

本次礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制方案，是通過改變輸入電路的頻率，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢，從而達(dá)到礦井提升機(jī)變頻調(diào)速的目的。整個(gè)變頻調(diào)速電路將運(yùn)用交—直—交的轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)，整個(gè)電路系統(tǒng)包括整流、中間直流以及逆變?nèi)糠蛛娐贰Ｆ渲休斎腚娐废到y(tǒng)的是三相工頻交流電，而后通過不可控整流、PWM逆變可以得到具有不同頻率的交流電，針對電能處理主要由交—直、直—分轉(zhuǎn)換兩個(gè)部分組成。礦井提升機(jī)變頻調(diào)速主回路控制電路見圖1。

圖1 變頻調(diào)速主回路控制電路

2.3 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于礦井提升機(jī)實(shí)際變頻控制系統(tǒng)使用需求，根據(jù)相關(guān)硬件設(shè)計(jì)規(guī)則，對礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是由主回路（上半圖）和控制回路（下半圖）所組成，見圖1。其中，控制回路圍繞LPC2131型ARM嵌入式處理器進(jìn)行矢量運(yùn)算、處理信號等來實(shí)現(xiàn)控制功能的。

2.4 變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

由于IGBT（即絕緣柵雙極型晶體管）必須配備具有正方向電壓的供電系統(tǒng)、能夠及時(shí)開關(guān)、具有保證整個(gè)電路正常運(yùn)行的電壓電流幅值以及良好的抗干擾性能。據(jù)此本次設(shè)計(jì)選用了IR2233型驅(qū)動(dòng)芯片，該型芯片能夠滿足三相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)使用需求，在電路故障或者欠壓等異常情況下，能夠及時(shí)將6個(gè)輸出端口關(guān)閉避免造成事故。礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路見圖3。

2.5 變頻控制系統(tǒng)監(jiān)測電路

（1）變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電路

通過定子電流監(jiān)測設(shè)備可以對整個(gè)控制系統(tǒng)的矢量精度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制，即對流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相定子的電流信號進(jìn)行監(jiān)測，并通過處理器AD將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，進(jìn)而運(yùn)用后續(xù)處理程序?qū)?shù)字信號進(jìn)行分析處理。本次設(shè)計(jì)采用了TBCDS-06型傳感器，通過OP07放大器電路對電流信號進(jìn)行放大收集。礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電路設(shè)計(jì)見圖4。

圖3 變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

圖4 變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電路

（2）變頻控制系統(tǒng)電壓監(jiān)測電路

通過并聯(lián)電阻方法可以實(shí)現(xiàn)對礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的電壓進(jìn)行監(jiān)測，再綜合采用分壓電阻方法對礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測，礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電壓電路見圖5。

圖5 變頻控制系統(tǒng)電壓監(jiān)測電路

（3）變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路

通過變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路可以實(shí)現(xiàn)對速度閉環(huán)和轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其中將旋轉(zhuǎn)編碼器布置于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，作為速度監(jiān)測電路的監(jiān)測元件，對電機(jī)運(yùn)行當(dāng)中轉(zhuǎn)軸的角位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)行脈沖編碼。本次設(shè)計(jì)采用了歐姆龍自動(dòng)化公司生產(chǎn)的E6B2型編碼器，對礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度進(jìn)行監(jiān)測控制，以符合保證礦井提升機(jī)安全正常使用的要求。礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路見圖6。

圖6 變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路

（4）變頻控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測電路

通過變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路，可以實(shí)現(xiàn)對電路中逆變模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。本次設(shè)計(jì)采用了4組LM75型溫度傳感器，該型溫度傳感器能夠?qū)?55℃～125℃范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以通過通過3.3V的直流電源直接為其進(jìn)行供電。礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測電壓電路見圖7。

圖7 變頻控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測電路

（5）變頻控制系統(tǒng)過流保護(hù)電路

將電流霍爾傳感器應(yīng)用到整個(gè)電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，該傳感器兼具線性度、完全隔離采集端以及非接觸測試等優(yōu)勢。在發(fā)生過流現(xiàn)象中，OCURR端則會(huì)發(fā)生低電平現(xiàn)象，ARM處理器將會(huì)相應(yīng)地發(fā)出中斷處理信號，進(jìn)而達(dá)到對電路保護(hù)的目的。礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)過流保護(hù)電路見圖8。

圖8 變頻控制系統(tǒng)過流保護(hù)電路

3 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)硬件選型和電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，還需要進(jìn)一步對其軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)以更好地實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)安全可靠地運(yùn)行。本次軟件設(shè)計(jì)以礦井提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行信號采集、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行速度、提升行程等各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而對上述運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，并通過控制系統(tǒng)對礦井提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整。本次礦井提升機(jī)軟件設(shè)計(jì)將嵌入式的μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)應(yīng)用于LPC2131型ARM嵌入式處理器當(dāng)中，采用C語言進(jìn)行編程，將礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同功能的各個(gè)模塊通過定義成不同任務(wù)的方法，且根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的重要性將其設(shè)置為不同執(zhí)行順序。

3.1 軟件系統(tǒng)層次劃分

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)軟件層次劃分為硬件層、操作層和應(yīng)用層。硬件層為前文所述以LPC2131型ARM嵌入式處理器為平臺(tái)而搭建的整體硬件，而操作層為μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。針對應(yīng)用層，主要是由信號采集、控制執(zhí)行以及保護(hù)等三個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)主要功能的。其中，信號采集程序，主要是完成電流、電壓、速度、溫度等參數(shù)的檢測任務(wù)。控制執(zhí)行程序，主要是通過矢量控制和PID等算法完成發(fā)送軟件系統(tǒng)控制指令的任務(wù)。保護(hù)程序主要是完成對過流、欠過壓、過熱等異常運(yùn)行現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)警甚至設(shè)備運(yùn)行急停的任務(wù)。上述各個(gè)任務(wù)之間的參數(shù)數(shù)據(jù)等采用郵箱的方式進(jìn)行傳遞。

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用層任務(wù)劃分見圖9。

圖9 變頻控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用層任務(wù)劃分

3.2 軟件任務(wù)的劃分及建立

通過圖8可以知，信號采集、控制執(zhí)行以及保護(hù)等三個(gè)程序的九項(xiàng)任務(wù)，通過μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)由可以細(xì)化成見表1。

表1 μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)具體九項(xiàng)任務(wù)程序

3.3 過速過卷錯(cuò)向控制

過速過卷錯(cuò)向控制主要是通過矢量控制來實(shí)現(xiàn)的，對速度檢測任務(wù)的模擬量進(jìn)行矢量控制，以達(dá)到對礦井提升機(jī)故障進(jìn)行報(bào)警并啟動(dòng)相應(yīng)安全回路的目的。礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)矢量控制程序框圖見圖10。

4 結(jié)語

圖10 控制系統(tǒng)矢量控制程序框

通過將上述礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于東古城煤礦生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，礦井提升機(jī)采用2JK-3.5/20單繩纏繞式提升機(jī)，卷筒直徑3.5 m，卷筒寬度1.7 m，兩個(gè)卷筒中心距1840 m，最大靜張力112.7 kN，提升速度6.78 m/s；電動(dòng)機(jī)采用Yr800-8/1180型6 kV高壓三相交流異步電動(dòng)機(jī)，額定功率800 kW，轉(zhuǎn)速740 r/min；鋼絲繩采用Ф=40 mm，6×19右捻鍍鋅鋼絲繩，抗拉強(qiáng)度170.0 kN/m2。現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀況表明，該套設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證礦井提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，對于礦井安全高效生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。