變頻調速控制器在煤礦無極繩絞車中的應用

劉遠亮

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦，山西 古交 030299）

引言

隨著科學技術的快速發展，我國煤礦逐步朝著現代化、智能化的方向發展，無極繩絞車作為我國運輸系統中重要的輔助設備，在大傾角、大載荷運輸環境中被廣泛應用[1]。傳統的無極繩絞車采用直啟或者軟啟的方式進行電機控制，在負載運行過程中，無法實現精準控制無極繩絞車變頻控制的目的，所以需要對無極繩絞車的電控系統進行優化設計。此前眾多學者對無極繩絞車控制系統進行過一定的研究[2]。

1 變頻調速控制系統的設計方案

無極繩絞車選定液壓傳動系統實現調速，其功率大、響應速度快。同時調速的原理是變量泵通過反應對變量機構進行速度的調整。其中容積調速可分為手動與電控兩種，雖然手動調速與電控調速的操作流程不同，但均可以實現對無極繩絞車調速的目的。容積調速的優點在于其不會出現節流、溢流等問題，這就使得調速的穩定性及效率均能得到一定的提升，有效地保證提升物資運輸過程的平穩性。一般的液壓系統通常由主回路、操控回路、制動回路等部分組成。本文基于PLC 對液壓系統進行優化設計。

無極繩絞車變頻調速原理如圖1 所示，變頻調速系統主要由變頻器、PLC、控制臺、上位機等組成。其控制核心為PLC 控制器，其獲取系統壓力以及牽引速度值后進行邏輯處理，并將處理后的信號及時與控制臺進行互通，從而使得控制臺控制變頻器，達到變頻器啟停、加減速等操作。電機與變頻器按照U/V/W 依次連接，當無極繩絞車電機啟動后，此時編碼軟件會將電機的轉速及運行信號及時傳輸至PLC控制器，PLC 控制器將電機、變頻器的運行參數及故障信息等通過CAN 通信模式傳輸至上位機進行顯示，便于管理人員及時發現及觀察無極繩絞車的實時運行情況及對絞車的故障進行檢測。

圖1 無極繩絞車變頻調速原理

2 變頻調速控制系統的軟硬件選型

2.1 硬件選型

本文選用S7-226-AC/DC/RELAY 西門子控制器，控制器擁有8 kB+5 kB 的儲存空間，且具有很好的可擴展性，直流模塊選用內置有RC 濾波和光電隔離EM223-181/180，該模塊具有很強的抗干擾能力，能夠保證井下數據傳輸過程中的準確性，模擬量的擴展模塊選用兼有數字量/ 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。系統的電機選用礦用YBBP-315S-4 三相異步電機，電機額定功率為110 kW，額定電流為200.4 A，額定轉速為1 485 r/min，工作的功率因素為0.9，工作效率為93%。同時選用三菱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。

2.2 軟件設計

無極繩絞車變頻調速系統由PLC 主程序及12 個子程序組合而成，主程序與子程序通過通訊模塊進行連接，并可以相互調試，子程序主要用于保證無極繩絞車運行過程中的保護、正常急啟急停、數據處理、復位、變頻控制等，具體的PLC 軟件控制程序結構見圖2。

圖2 PLC 軟件控制程序結構示意圖

無極繩絞車的變頻控制系統能夠實現對無極繩絞車的變頻啟動、停止減加速等操作，同時系統可以通過PLC 控制器對系統檢測的電機反饋轉速進行邏輯分析，同時給出系統當前的系統壓力和牽引速度，對系統進行實時的變頻控制，從而使得電機的轉速得到及時的調節，為了保證無極繩絞車變頻控制系統的穩定性及安全性，需要在整個系統中增加保護設置子程序和緊急停車處理子程序，當變頻控制系統檢測到設備運行過程中存在超過設定值的情況時，會立刻傳輸至PLC 控制端，PLC 控制器接收到異常信號后會對系統進行緊急保護操作，避免出現由于急停急啟及負載過量等原因造成的系統損壞，有效地保證了變頻控制系統的安全運行，提升了運行效率。

變頻器的初始化流程如圖3 所示，可以看出，變頻器運行過程中存在四個狀態分別為故障狀態、準備狀態、空閑狀態和使能狀態，四個狀態中故障狀態為變頻器的初始狀態，而使能狀態為系統的預運行狀態，在使能狀態下，給定電機速度或和系統運行轉矩后，電機運行。變頻器的初始化流程首先進行故障檢測，當系統發現故障時，此時會進入故障檢測的指令，而系統未發現故障則進入運行前的準備階段，故障清理后會進入準備階段，而如果系統不處于空閑狀態時直接進入準備狀態，對準備狀態進行檢測，處于準備狀態則發出使能指令，而當系統不處于準備狀態時直接進入使能狀態，設備開始運行。

圖3 變頻器的初始化流程圖

3 應用效果分析

對設計的變頻控制無極繩絞車進行工業化研究，歷經3 個月的井下試驗，得出如下運行結論：設計的變頻控制系統運行安全、穩定，PLC 控制器能夠對變頻器的節點進行有效控制，PLC 控制器與變頻器間的通信信號傳輸較為暢通，未受到井下工作的影響；在電機的控制流程中，當系統的運行速度達到1 500 r/min 時，此時按下“反轉”按鈕時，系統不會立刻進行反轉，而是先將系統運行速度控制于一定合理范圍值時，進行反轉，防止速度遞減過快對電機及系統的損壞；系統運行中，故障的處理顯示較為全面，且能給出故障的初步解決方案，提升了設備的運行效率；遠程操作系統能夠較好的對系統進行控制，信號傳輸速度較快。