礦用絞車自動控制系統設計與應用研究

閆軍偉

（山西汾西礦業（集團）孝義煤礦管理分公司， 山西 孝義 032300）

引言

礦用絞車作為連接礦井地面與井下工作面的重要樞紐，承擔著運載人員與工器具的重要任務，對于井下綜采工作面的正常生產運行起著不可替代的作用[1-2]。相關研究表明，當前礦用絞車使用的控制方式基本是手動+繼電器模式，存在一定的局限性，經常出現調速不平滑、操作難度大、故障頻率高等問題，因此，為了改善傳統控制方式，有必要引進較為先進的控制技術[3-4]。PLC 作為工業使用較為成熟的控制器，配合變頻器即可實現礦用絞車的調速，并且具有操作靈活、可靠性高、編程簡單等優勢，具有很好的應用前景[5-6]。基于某煤礦JSDB-16 型礦用絞車原有自動控制系統，開展基于PLC+變頻器技術的控制系統，對于進一步提高礦用絞車的可靠性和使用性能具有重要的意義。

1 礦用絞車系統工作原理

基于礦用絞車原有控制系統，完成了控制系統工作原理設計，如圖1 所示。現場配置的傳感器，如溫度傳感器、速度傳感器等，負責實時采集絞車運行過程中的狀態參數，系統工作過程中，一旦出現參數數據異常，將會發出報警信號或立即停車；系統配置了工業以太網的連接接口，能夠與監控室實現數據通信，同時也可以與上位機進行信息的交換，實現信息共享；系統通訊使用的是Modbus 現場總線，基于Modbus 協議配置，完成PLC 和變頻器之間的信息通信，減少現場人員操作失誤帶來的損失，由變頻器輸出電機控制指令，控制絞車驅動電機的輸出速度，達到礦用絞車調速的目的。

圖1 系統工作原理

2 硬件設計

2.1 變頻器選型

服役中的礦用絞車驅動電機為三相異步電動機，額定功率數值為37 kW，基于此選擇三菱品牌中FR-F740 系列變頻器，具體型號為FR-F440-45KCHT，其輸出額定功率數值為45 kW。該變頻器引進了勵磁控制技術，在電機啟動時具有較大轉矩，同時能夠保證電機的使用效率，是一種較為先進的節能驅動技術。變頻器應用PID 控制電動機的各種狀態，與此同時，還能用于外部設備的控制，可以實現驅動電機的平穩調速，避免急劇地加速和減速運轉。

2.2 PLC 選型

PLC 作為控制系統的核心，選擇了型號為FU3U-64MR 的PLC，屬于三棱電機公司生產制造。PLC 內部自帶了時鐘模塊，可以實時顯示時間信息，同時，還自帶其他多個功能模塊，涉及特殊模塊和功能擴展模塊，擴展模塊可擴展出8 個單元，滿足多軸定位的控制要求。PLC 內部存儲器容量大小為8 kB，具有可擴展性，能夠擴展容量至16 kB；編制的PID 控制指令具有模擬量閉環控制的功能，同時具有較為強大的數學運算能力。為了提高礦用絞車自動控制的可靠性，采用了PLC 與監控PLC 冗余控制的策略，實現對變頻器進行控制，原理圖如下頁圖2 所示。

圖2 雙PLC 冗余控制原理結構圖

2.3 PLC、交流變頻器和電動機之間的連接方式

基于PLC 的絞車自動控制系統與變頻器和電機之間的連接形式包括兩種，分別如下：第一是直接把PLC 自帶的通用輸出接口連接在變頻器的控制端，以此達到控制變頻器的目的；第二是借助中間數據傳輸通信協議，如RS485 等，與變頻器之間實現信息通信，實現采集信號數據和控制指令的實時傳輸。結合礦用絞車控制系統實際需要，選擇第二種連接形式，其工作原理如圖3 所示。

圖3 RS485 連接PLC 和變頻器

2.4 編碼器及信號采集

絞車自動控制系統中的編碼器使用的是歐姆龍品牌，是一種增量型旋轉編碼器，具體型號為E6B2-C，分辨率可達2 000 P/r，使用的額定電壓數值為5 V 直流電。系統監控電機和卷筒運行狀態采用了電機轉軸和卷筒位置設置的編碼器脈沖信號的方法，經數據處理獲取絞車工作過程中的位置和速度信息。編碼器的引入，代替了傳統使用的深度指示器，解除了對深度指示器的過分依賴，克服了礦用絞車位置采集不準、滯后等困難，實現了絞車位置和速度信息的實時采集和傳輸，并顯示在上位機供監控人員觀察了解礦用絞車的實時運行情況。編碼器和傳感器的形式及布置情況如圖4 所示。

圖4 編碼器和傳感器布置

3 系統軟件設計

3.1 主程序

結合絞車自動控制系統功能設計要求，完成了系統軟件運行主程序的設計，如圖5 所示。由圖5 可以看出，自動控制系統啟動時，第一步先進行程序初始化，其中涉及鋼絲繩系數、鋼絲繩直徑等，同時，也要完成AD 模塊和DA 模塊的初始化；第二步是確保系統安全回路接通的條件下獲取絞車提升信號，確定絞車的開車方向；第三步是控制絞車運行過程中的啟動、加速、減速、停止等；第四步是分析減速點和停車點位置實際速度與目標速度之間的偏差，若偏差數值滿足控制要求，則進入下一步，否則實行抱閘控制。

圖5 主程序工作流程

3.2 變頻器控制程序

變頻器作為礦用絞車電機驅動控制的關鍵部件，直接控制絞車驅動電機的啟動和停止、正轉和反轉、速度的給定等。變頻器工作過程中，獲得主令上升或者下降的控制指令時，第一步需要完成抱閘手柄狀態的確認，確保其處于初始位置，與此同時，還要確認液壓站的壓力是否滿足要求，之后再次確認礦用絞車是否處在停車點，當確定絞車處于停車點時，還要確認電機是否故障，如果無故障即可啟動驅動電機。

3.3 上位機

上位機作為礦用絞車自動控制系統的重要組成部分，其主要任務是實時顯示絞車運行狀態參數數據，確保監控人員實時掌握絞車工作的狀態信息。根據絞車自動控制系統實際情況，完成了上位機主界面設計，如圖6 所示。圖6 左上角實時顯示絞車啟停、升降、速度等參數信息，左下角實時顯示變頻器電壓、電流等，右邊顯示絞車動作畫面。通過點擊界面中的相關按鈕可以進行界面切換，點擊注銷推出當前頁面，點擊“退出系統”鈕，退出整個系統。

圖6 自動控制系統主界面

4 應用效果分析

為了驗證礦用絞車自動控制系統設計的可行性，將PLC+變頻器技術的控制系統應用于某煤礦絞車中進行控制測試，跟蹤記錄測試情況。結果表明，該系統運行穩定可靠，實現了絞車變頻調速功能。統計結果顯示，相較于傳統的繼電器控制，PLC 控制系統具有突出的操作簡便、功能齊全等特點。

該控制系統的引進，提高了絞車近10%的有效工作時間，減少了絞車近5%的故障排除時間，節省了2~3 名設備保全人員，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近60 萬元/年，取得了很好的應用效果。