礦用無極繩絞車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研發(fā)*

孔翠波

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053)

0 引 言

我國(guó)資源豐富，煤炭資源在我國(guó)工業(yè)化發(fā)展過程中起到舉足輕重的作用。隨著開采年限的不斷增加，煤炭資源的儲(chǔ)量日益下降，開采的重點(diǎn)也從易開采煤層逐步向著覆存條件復(fù)雜的煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)移。同時(shí)隨著科技的不斷發(fā)展，我國(guó)煤礦逐步朝著現(xiàn)代化、智能化的方向發(fā)展，無極繩絞車作為我國(guó)運(yùn)輸系統(tǒng)中重要的輔助設(shè)備，在大傾角、大載荷運(yùn)輸環(huán)境中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的無極繩絞車采用直啟或者軟啟的方式進(jìn)行電機(jī)控制，在負(fù)載運(yùn)行過程中，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制無極繩絞車變頻控制的目的，此前眾多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，陳甲君[1]針對(duì)傳統(tǒng)無極繩絞車控制系統(tǒng)存在的啟動(dòng)電流大,運(yùn)行速度不穩(wěn),易發(fā)生掉道事故等問題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于變頻調(diào)速控制技術(shù)的無極繩絞車控制系統(tǒng)，并利用人工魚群算法等對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力增強(qiáng)。筆者針對(duì)無極繩絞車急停急啟控制差的問題，基于變頻控制器對(duì)無極繩絞車電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升了控制系統(tǒng)精度，為礦井高效、智能化開采提供一定的依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

煤礦無極繩絞車在負(fù)載運(yùn)行過程中不僅需要對(duì)絞車的運(yùn)行方向進(jìn)行控制，同時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加、減速度控制，尤其是對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的速度需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)在制動(dòng)及運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)打滑等情況，因此變頻調(diào)速控制器的使用目的是保證無極繩絞車能夠較好的實(shí)現(xiàn)以上功能。

無極繩絞車選定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，其功率大、響應(yīng)速度快。同時(shí)調(diào)速的原理是變量泵通過反應(yīng)對(duì)變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度的調(diào)整。其中容積調(diào)速可分為手動(dòng)與電控兩種，雖然手動(dòng)調(diào)速與電控調(diào)速的操作流程不同，但均可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無極繩絞車調(diào)速的目的。容積調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)在于其不會(huì)出現(xiàn)節(jié)流、溢流等問題，這就使得調(diào)速的穩(wěn)定性及效率均能得到一定的提升。有效的保證了提升物資運(yùn)輸過程的平穩(wěn)性。一般的液壓系統(tǒng)通常由主回路、操控回路、制動(dòng)回路等部分組成。文中基于PLC對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[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)主要由變頻器、PLC、控制臺(tái)、上位機(jī)等組成。控制核心為PLC控制器，其獲取系統(tǒng)壓力以及牽引速度值后進(jìn)行邏輯處理，并將處理后的信號(hào)及時(shí)與控制臺(tái)進(jìn)行互通，使得控制臺(tái)控制變頻器,達(dá)到變頻器啟停、加減速等操作。電機(jī)與變頻器按照U/V/W依次連接，當(dāng)無極繩絞車電機(jī)啟動(dòng)后,此時(shí)編碼軟件會(huì)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速及運(yùn)行信號(hào)及時(shí)傳輸至PLC控制器，PLC控制器將電機(jī)、變頻器的運(yùn)行參數(shù)及故障信息等通過CAN通信模式傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示，便于管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)及觀察無極繩絞車的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況及對(duì)絞車的故障進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 無極繩絞車變頻調(diào)速原理圖

1.2 硬件選型

文中設(shè)計(jì)的核心PLC控制器選用S7-226-AC/DC/RELAY西門子控制器,控制器擁有8 kB+5 kB的儲(chǔ)存空間,且具有很好的可擴(kuò)展性，直流模塊選用內(nèi)置有RC濾波和光電隔離EM223-181/180,該模塊具有很強(qiáng)的抗干擾能力,能保證井下數(shù)據(jù)傳輸過程中的準(zhǔn)確性，模擬量的擴(kuò)展模塊選用兼有數(shù)字量/模擬量濾波器的EM231-AI-6×12BITS,該模塊同樣適合井下工作，具有抗爆、抗干擾的能力。系統(tǒng)的電機(jī)選用礦用YBBP-315S-4三相異步電機(jī),電機(jī)額定功率為110 kW,額定電流為200.4 A,額定轉(zhuǎn)速為1 485 r/min,工作的功率因素為0.9,工作效率為93%。同時(shí)選用三菱700系列中的FR-A740-132KCHT變頻器,其精度為±0.2%,額定容量為132 kW,輸出頻率為0.2～400 Hz。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

無極繩絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)由PLC主程序及12個(gè)子程序組合而成，主程序與子程序通過通訊模塊進(jìn)行連接，并可以相互調(diào)試，子程序主要用于保證無極繩絞車運(yùn)行過程中的保護(hù)、正常急啟急停、數(shù)據(jù)處理、復(fù)位、變頻控制等，具體的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)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無極繩絞車的變頻啟動(dòng)、停止減加速等操作,同時(shí)系統(tǒng)可以通過PLC控制器對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行邏輯分析,同時(shí)給出系統(tǒng)當(dāng)前的系統(tǒng)壓力和牽引速度,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的變頻控制，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，為了保證無極繩絞車變頻控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性,需要在整個(gè)系統(tǒng)中增加保護(hù)設(shè)置子程序和緊急停車處理子程序,當(dāng)變頻控制系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備運(yùn)行過程中存在超過設(shè)定值時(shí)，會(huì)立刻傳輸至PLC控制端，PLC控制器接收到異常信號(hào)后會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行緊急保護(hù)操作，避免出現(xiàn)由于急停急啟及負(fù)載過量等原因造成的系統(tǒng)損壞，有效保證了變頻控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提升運(yùn)行效率[3]。

變頻器的初始化流程圖如圖3所示，變頻器運(yùn)行過程中存在四個(gè)狀態(tài)分別為故障狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、空閑狀態(tài)和使能狀態(tài)，四個(gè)狀態(tài)中故障狀態(tài)為變頻器的初始狀態(tài)，而使能狀態(tài)為系統(tǒng)的預(yù)運(yùn)行狀態(tài)，在使能狀態(tài)下，給定電機(jī)速度或和系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩后，電機(jī)運(yùn)行。變頻器的初始化流程首先進(jìn)行故障檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，此時(shí)會(huì)進(jìn)入故障檢測(cè)的指令，而系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)故障則進(jìn)入運(yùn)行前的準(zhǔn)備階段，故障清理后會(huì)進(jìn)入準(zhǔn)備階段，如果系統(tǒng)不處于空閑狀態(tài)時(shí)直接進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，對(duì)準(zhǔn)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，處于準(zhǔn)備狀態(tài)則發(fā)出使能指令，而當(dāng)系統(tǒng)不處于準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)直接進(jìn)入使能狀態(tài)，設(shè)備開始運(yùn)行。

圖3 變頻器的初始化流程圖

2 運(yùn)行效果

對(duì)設(shè)計(jì)的變頻控制無極繩絞車進(jìn)行，歷經(jīng)3個(gè)月的井下試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1) 設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，PLC控制器能夠?qū)ψ冾l器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效控制，PLC控制器與變頻器間的通信信號(hào)傳輸較為暢通，未受到井下工作的影響。

(2) 在電機(jī)的控制流程中，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行速度達(dá)到1 500 r/m時(shí)，此時(shí)按下“反轉(zhuǎn)”按鈕時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)立刻進(jìn)行反轉(zhuǎn)，而是先將系統(tǒng)運(yùn)行速度控制于一定合理范圍值時(shí)，進(jìn)行反轉(zhuǎn)，防止速度遞減過快對(duì)電機(jī)及系統(tǒng)的損壞。

(3) 系統(tǒng)運(yùn)行中，故障的處理顯示較為全面，且能給出故障的初步解決方案，提升了設(shè)備的運(yùn)行效率。

(4) 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)能夠較好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，信號(hào)傳輸速度較快。設(shè)計(jì)的無極繩絞車變頻控制系統(tǒng)整體運(yùn)行效果良好，系統(tǒng)應(yīng)用如圖4所示。

圖4 變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用圖

3 結(jié) 語

針對(duì)礦用無極繩絞車在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中存在急停急啟控制精度不足的問題，文中基于變頻控制器設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，給出了無極繩絞車變頻調(diào)速原理及系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，所設(shè)計(jì)的變頻控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，控制效果，運(yùn)行效率與運(yùn)行穩(wěn)定性均得到提升，為礦井無極繩絞車控制系統(tǒng)的變頻改造提供應(yīng)用參考。