架空乘人裝置四象限變頻調速控制系統

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，適用于采區煤層上(下)山工作面順槽及綜掘巷道的人員輔助連續運輸。本文介紹的架空乘人裝置四象限變頻調速控制系統，能滿足架空乘人裝置的各種運行方式，可實現連續變頻調速、軟啟動，低頻轉矩大，調速范圍廣，功率因數高，諧波含量低，能很好地防止架空乘人裝置的事故發生，實現無人值守功能，安全可靠，運行平穩，并且能將下放和制動時產生的勢能轉變成電能回饋給電網，可節電20%～30%，具有十分明顯的節能效果。

1 四象限變頻調速控制系統概述

該架空乘人裝置四象限變頻調速控制系統包括：①電源進線柜一臺；②變頻柜一臺；③回饋制動柜一臺；④PLC控制兼司機操作臺一套；⑤軸編碼器兩套；⑥掉繩和重錘保護傳感器16臺套；⑦上位顯示器一臺；⑧拉線急停和語音通信系統15臺套；⑨紅外熱釋傳感器二套。

架空乘人裝置的電機型號為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0.88；減速機型號為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/天；最大輸送人員(單向)為198人/h，可同時雙側上下人；防爆電力液壓塊式制動器型號為BYWZ3B-315/45；輪邊制動器型號為YLBZ40-160；吊椅數量為360個；運行速度為1.20 m/s，最大運行速度不大于1.6 m/s，達到最高速度時可滿足295人/h的運送要求；井口、井底上下人位置安裝零速度上下人裝置。

該系統采用變頻調速結合PLC控制技術，根據架空乘人裝置的實際負載大小無級調節運行速度[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，可在運行過程中隨時檢測電動機的負載情況，自動調整功率輸出，使電動機始終運行于最佳狀態，并判斷母線電壓，當其高于設定電壓時，能量回饋單元啟動，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，達到節能的效果。

控制系統設計了三種工作方式，即手動工作方式、自動控制方式和點動工作方式，各種控制方式轉換靈活，有效地保證了輔助運輸系統工作的連續性。操作臺上設有數字轉速表、數字電流表和數字電壓表，用以顯示架空乘人裝置的運行速度、電機電流和電源電壓。當該系統發生故障時能自動閉鎖，而且只有在清除故障并使系統復位后才能重新啟動運行。上位機可動態模擬顯示架空乘人裝置運行參數和運行狀態，當設備發生故障時能實時顯示故障狀態、故障性質和故障原因分析，實現對各種非正常運行狀態的實時處理。

系統通過紅外熱釋傳感器實現無人值守功能[2]，即沒有人乘坐時，架空乘人裝置停止運行，減少損耗；一旦有人乘坐，架空乘人裝置自動運行，當檢測到有人到達下車點時,播放"您已到站,請下車"的語音提示,以確保人身安全。全巷道內設有語音通話和背景音樂系統[3]，可實現巷道內人與人之間的通話、播放重要通知和上下班背景音樂。系統設有軸編碼器兩套，分別安裝在架空乘人裝置電機的高速軸和低速軸上，編碼器將數字脈沖信號傳送到PLC的高速輸入端，用來監測架空乘人裝置的運行速度，同時兩個軸編碼器互相獨立，相互監視。

系統還可實現如下安全保護功能：①全巷道拉線急停保護；②超速、欠速打滑保護；③機頭、機尾越位保護；④掉繩保護；⑤重錘上、下限位保護，即鋼絲繩過緊、過松保護；⑥過流、過壓、欠壓保護；⑦電機溫度過高保護；⑧減速機溫度過高保護；⑨制動器失效保護；⑩同其他電氣互鎖保護。

2 四象限變頻調速控制系統硬件組成

2.1 PLC系統

可編程控制器配置如下：

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

(2) 以太網通信模塊：FX3U-ENET-ADP。

(3) 輸入擴展模塊：FX2N-16EX，16點輸入。

(4) 輸出擴展模塊：FX2N-16EYR，16點輸出。

(5) 模擬量輸入模塊：FX3U-4AD，輸入通道4個，最大分辨率12位。

2.2 變頻器系統

(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，采用最先進的直接轉矩控制(DTC)技術和安全力矩中斷(STO)技術，克服了變頻器矢量控制方式的不足，具有優良的動靜態調速性能。

(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，可實現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，不會對電網和周邊的電器設備造成干擾。

2.3 拉線急停和語音通信系統

(1) 主機：型號KHP156-Z2，1臺，是拉線急停和語音通信系統的主機，當需緊急停車時，拉下鋼絲繩，急停信號會通過RS485總線傳至KHP156-Z2主機，再通過主機輸出給PLC，從而停止架空乘人裝置的運行，急停恢復后，架空乘人裝置才能運行，主機可顯示幾號急停開關動作；作為語音通信系統和打點使用時，能實現音量控制、頻道顯示、呼叫和通話等功能。

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

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

(4) 語音通話打點器：KXH127，15臺，可實現打點、通話和背景音樂播放等。

2.4 上位監控系統

上位觸摸顯示屏：THA62-MT，14吋彩顯，可實時顯示設備的運行參數和狀態，故障時提供故障性質和故障原因分析，由無錫信捷電氣股份有限公司生產。

2.5 掉繩保護傳感器

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

2.6 重錘檢測傳感器

型號GEJ25/35，2臺，裝于機尾，用于架空乘人裝置鋼絲繩過緊、過松檢測。

2.7 紅外熱釋傳感器

型號HY-02A-G5X，2臺，用于檢測是否有人員到達，實現無人值守和發出"您已到站,請下車"的語音報警提示。

2.8 旋轉編碼器

型號ZXF-10BM-C24C，2臺，用于檢測架空乘人裝置的運行速度。

3 四象限變頻調速控制系統軟件實現

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、與礦井生產調度中心進行數據傳輸和信息交換，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在檢測架空乘人裝置的運行速度時，兩臺旋轉編碼器的輸出信號分別接在其高速計數器X0和X1上，程序采用中斷子程序檢測其脈沖個數，每隔99 ms檢測一次，然后把數據傳送到PLC數據存貯器中進行計算處理，當PLC發現實際運行速度超過設定的速度時，立即停止架空乘人裝置的運行。

3.2 上位監控軟件

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，具有數據動態顯示監控、棒狀圖、實時/歷史趨勢圖、時間趨勢圖、XY趨勢圖、XY折線圖、離散/連續數據柱狀圖、實時報警和歷史報警記錄等完善的控制功能，可實現以太網多重組網，突破傳統控制方式，實現一對多、多對一、多對多的多重組網模式，完全能滿足架空乘人裝置的顯示要求。

4 結論

該架空乘人裝置四象限變頻調速控制系統不僅可以將電動機回饋產生的能量反送到電網，達到徹底的節能效果，而且可以減少設備的機械磨損，延長了架空乘人裝置的使用壽命，節約了成本，提高了輸入功率因數，消除了對電網的諧波污染，為實現國家“雙碳”戰略目標做出了應有的貢獻，經濟社會效益顯著，值得在其他煤礦推廣應用。