SQ-120132P型無極繩絞車變頻控制應用研究

蔚亮亮

（長治三元中能煤業有限公司 山西 長治 046600）

0 引言

無極繩絞車，作為煤礦井下一種鋼絲繩牽引的普通軌道連續運輸設備，適用于長距離、多變坡、大噸位工況條件下的巷道運輸工作，能夠替代傳統小絞車接力、對拉運輸方式，是實現液壓支架、采煤機、等設備及物料系統化、自動化、連續化運輸的理想裝備，在我國各大礦區得到普遍應用。由于無極繩絞車運輸距離長、載重大，加之變坡多、轉彎多、速度變換環節多，需要更大功率的驅動系統，在常規情況下，無極繩絞車的功耗都是比較大的，即使在空載狀態下，無極繩絞車也是以常規的功率去運行，造成較大的功率浪費，因此，無極繩絞車一般都采用了變頻調速系統，對絞車運行的速度進行無級調速，但在變頻節能控制方面還存在不足，整體能耗較高[1-4]。針對井工煤礦常見的SQ-120/132P型無極繩絞車，基于PLC的變頻控制原理，對其工作系統進行變頻控制設計，從而提高無極繩絞車運行的經濟性，同時保證設備的運行可靠性及工作安全性。

1 實現變頻控制的功能需求

相比常規礦用絞車，無極繩絞車的構成較為復雜，絞車主機是整個系統的動力源，以鋼絲繩為牽引構件，牽引梭車及礦車在軌道系統上運行。絞車主機由電機、底座、減速箱、滾筒、聯軸器、制動裝置、張緊裝置、齒輪罩等部件組成；鋼絲繩在張緊裝置的張拉下工作，分進、回兩路；梭車用來牽引礦車、平板車等車列，裝有儲繩輪，可根據運輸距離長短動態調整鋼絲繩長度；軌道系統由軌道及輪組構成，輪組包括尾輪、壓繩輪組、平托輪組、轉彎輪組等組成。

對絞車實施變頻控制，應使新的控制系統具備以下功能需求[5]：

（1）控制功能。作為最基本的功能，應能夠實現絞車的正常啟停及緊急停車功能，并能根據負載情況及運行距離、阻力等因素，對運行的速度及功率進行變頻控制。

（2）保護功能。保護功能與普通絞車基本無異，具體保護功能有過卷保護功能、超速保護功能、過壓過流保護功能、堵轉保護功能等，還能在出現故障或其他緊急情況時，立即進行停車保護。

（3）顯示功能。控制系統應具備對運行狀態及參數進行屏顯功能，還應具備各類指示信號的等顯功能，對操作人員提供運行指示及幫助，應急情況下發出警示。

（4）語音提示功能。當絞車進入上坡、下坡、轉彎等運行狀態時應能進行語音播報，提醒操作司機實施加速或減速控制，并提醒運行巷道內的人員注意躲避，還應在危險應急狀態時發出語音警報。

（5）應急運行功能。除了常規的運行狀態，在非常規狀態時，系統也應具有完備的應急運行功能。即在基于PLC 的變頻控制系統發生故障，絞車運行受困時，應急功能可緊急用來實現絞車的啟停及正反轉運行，避免造成更大損失或災害。

2 變頻控制系統架構設計

基于無極繩絞車的控制原理及功能需求，驅動電機需要在四象限內進行工作，A、B、C 三相供電，設計的變頻控制系統架構如圖1所示。控制系統內設計了電路整流模塊、濾波模塊及逆變模塊，從而保證驅動電機能夠在四各象限內進行工作，第一、三象限負責電機的正轉及反轉，第二、四象限負責電機的制動功能，并能回饋電能。

圖1 無極繩絞車變頻控制系統架構示意圖

具體的工作流程設計為：串車接入梭車系統后，絞車操作人員可根據運輸串車數量及負載情況，選擇空載、空載、輕載或重載模式，對應的運行方式有較大區別，在梭車、串車行進在軌道上時，不同的路段（水平段、上下坡段、轉彎段），由通信系統反饋到變頻控制中心，再經控制器內置的電路整流模塊、濾波模塊及逆變模塊進行信號調節，從而使電機變頻工作。具體為，當串車載重增大，或者因上坡或轉彎導致負載增大時，變頻控制器將采取恒壓頻比，發出減速指令；當串車為輕載或空載狀態時，變頻控制器將減小輸出的轉矩，從而使鋼絲繩速率增大或保持恒定速率；當停機時或者運行速度低于下限值時，變頻器調低頻率，電機工作于第二或第四象限，可將機械能轉為電能向供電系統輸出，達到節能目的。

3 變頻控制系統硬件組成及軟件設計

基于無極繩絞車變頻控制系統架構設計方案，需要繼續對該系統的硬件組成及操作軟件進行設計。

3.1 變頻控制系統硬件組成設計

變頻控制系統的硬件組成以PLC 及變頻器為核心，其中選用的PLC 型號為S7-1200，包括電源、操作臺、絞車主機、信號基臺、通訊及供電線路、各類傳感器（速度、位置等）、急停控制箱、可逆磁力啟動器、機頭機尾過卷開關、位置清零開關等，見圖2。操作臺為控制系統的中樞機構，全方位實時采集PLC、變頻器、傳感器、保護系統的數據信號，對數據信號進行分析，作出操作指示，自動對變頻器的工作狀態進行控制和調整，控制無極繩絞車進行啟停、變速、制動等操作，操作臺配有液晶顯示屏，對相關信息和參數進行實時顯示。

圖2 變頻控制系統硬件組成設計示意圖

3.2 變頻控制系統操作軟件設計

基本SQ-120/132P型無極繩絞車變頻控制系統設計的初衷，要實現安全性、穩定性、節能性等方面的兼顧和統一，還要滿足應有的功能需求，在硬件架構設計的基礎上，操作軟件應能實現絞車的變頻操作控制、絞車運行狀態的實時監測、保護系統接入等功能，變頻控制系統操作軟件的程序設計如圖3所示。主程序循環能夠實現參數設置、變頻器控制、故障和異常保護、運行狀態I/O與參數監控，又包括了I/O狀態、數據采樣、通信狀態等模塊。

圖3 變頻控制系統操作軟件設計示意圖

4 系統現場應用

根據系統設計，進行了實驗室試驗及相關流程工作，在完善前期各項準備工作及相關手續后，在井下針對SQ-120/132P型無極繩絞車實施了控制系統改造及運行試驗。整個試驗期即無極繩絞車為一個綜采工作面的服務周期，歷時10 個月。在電氣系統方面，無極繩絞車的電機轉速可由變頻器進行實時調速，負載變化及調速過程中，電路中電壓等參數保持穩定，波動性在正常范圍內，電流值也保持合理的輸出范圍，沒有出現異常的過載發熱情況，從而保證了無極繩絞車工作的連續性和穩定性；在控制系統方面，整個運輸過程平穩流暢，梭車定位準確，語音警示及時有效，在巷道過彎、上坡下坡處未發生控制因素導致的飛車及掉道事故，安全性得到保障；在保護系統方面，基于內置的過卷保護功能、超速保護功能、過壓過流保護功能、堵轉保護功能等，在絞車出現故障或其他緊急情況時，立即實施停車保護等應急操作，并對故障處置進行指示，降低了系統故障率和事故率，運輸效率得到提高，安全生產得到保障。

5 結語

無極繩變頻控制系統改造需要兼顧安全性、穩定性、節能性等要求，還需要滿足當前礦井機電設備的自動化控制需求，在分析無極繩絞車系統組成、工作原理及功能需求的基礎上，對變頻控制系統的整體架構及軟硬件系統進行設計，能夠實現絞車的變頻操作控制、絞車運行狀態的實時監測、保護系統接入，通過實踐應用表明，設計的變頻控制系統能夠保障絞車在運行過程中的節能性及安全性的實現，同時，可以為其他礦井類似條件下提高無極繩絞車的運行效率提供參考和技術支持，技術及經濟效益顯著。