礦用絞車電控系統控制方法研究與設計

郭鵬飛

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦，山西 太原 030053）

引言

礦用絞車是煤礦運輸系統的重要組成部分，擔負礦井的物料和人員運輸任務，其性能直接影響煤礦生產效率以及安全生產。礦用絞車使用過程中的調速性能是其穩定運行的關鍵，傳統礦用絞車調速控制多采用轉子串、切電阻調速方式，缺點為調速不平滑、穩定性差。針對該問題，國內外煤礦科研機構以及企業做了大量的研究工作。文章以礦用絞車為研究對象，將控制器技術與變頻器相結合，實現礦用絞車的智能控制，提高礦用絞車控制系統的運行精度，提高運行的可靠性，增強運行的安全性。

1 控制系統工作原理

煤礦用絞車控制系統工作原理如圖1 所示，交流1 140 V 高壓電源經電源轉換后為低壓配電柜供電，并由低壓配電柜為控制系統內的其他用電設備供電，如變頻器、操作臺、顯示器、傳感器等，電壓等級為DC24 V、DC12 V 以及DC5 V。在礦用絞車車身布置有行程開關、壓力傳感器、溫度傳感器等現場傳感器以及檢測儀表，實時記錄并傳送絞車運行狀態信息。礦用絞車異步變頻電動機配置有旋轉編碼器，實時向控制系統反饋絞車實際轉速。礦用絞車工作時，有操作臺給出運行、停止、正轉和反轉等指令，經控制系統解析并分析現場傳感器設計及檢測儀表反饋的數據后，以Modbus 通信模式控制變頻器按照指定模式運行。變頻器驅動絞車異步電動機的運行模式可為轉速模式，也可為轉矩模式。控制系統通過設置給定轉矩、母線電流限制及最高轉速限制等參數實現對絞車異步電動機的變頻控制。變頻器可將異步絞車異步電動機的實際轉速、IGBT 溫度、電機溫度等值反饋給控制系統，并參與邏輯控制。為保證對礦用絞車操作的穩定性和實時性，控制系統與操作臺之間以Modbus通信模式完成數據和控制指令的傳輸。

圖1 煤礦絞車控制系統工作原理圖

2 硬件設計

礦用絞車控制系統用到的硬件設備包括變頻器、控制器、行程開關、溫度傳感器、壓力傳感器和旋轉編碼器等。根據礦用絞車控制系統工作原理和總體設計方案對上述硬件進行選型。礦用絞車控制系統采用直接轉矩控制方案，為恒轉矩負載，輸出功率如下：P=Tn/9 550 . （1）式中：P 為絞車異步電動機功率，kW；T 為絞車異步電動機的額定轉矩，N·m；n 為絞車異步電動機的額定轉速，r/min。

礦用絞車啟動過程時啟動電流較大，選用的變頻器容量為絞車異步電動機容量的1.1～1.5 倍，本文研究的礦用絞車異步電動機的額定輸出功率為37 kW，因此選用三菱的FR-F440-45K-CHT 型變頻器，其額定輸出功率為45 kW。該變頻器的啟動轉矩較大，具備自調諧功能，能夠提高礦用絞車異步電動機的電機效率。該變頻器支持CAN、CanOpen、Modbus 等多種通信模式，支持PID 控制，能夠保證礦用絞車平穩調速，避免急劇加減速。PLC 控制器選用三菱公司的FU3U-64MR，該控制器具有抗干擾能力強、維護容易、使用簡單、安裝方便的特點。該控制器可通過PID指令實現傳感器數據的閉環控制，支持浮點運算、三角函數等數學指令集；能夠方便地擴展模塊，響應速度快，數據存儲空間大。

行程開關選用正泰的YBLX-ME-810 型，該行程開關是一種小電流主令電器，通過控制電路接通、斷開達到限制絞車機械運動的目的。絞車自動控制系統中用到的行程開關為10 個，分別指示絞車上深度、下深度、中間深度、上過卷、下過卷等。溫度傳感器選用的型號為CWDZ11，為插入式結構，采用Pt100 將溫度信號轉換為電壓信號并輸出至PLC 控制器。壓力傳感器選用的型號為DATA-52，該傳感器的量程為0～1 MPa，可將檢測到的壓力值轉換為4～20 mA 電流信號并通過RS485 通信模式傳送給PLC 控制器。旋轉編碼器選用的是歐姆龍的E6B2-C，最大分辨率為2 000 P/r，PLC 控制器實時采集該旋轉編碼器信號并對異步電動機進行變頻控制。礦用絞車控制系統配置有操作臺，在操作臺上集成了礦用絞車的控制按鈕，如分閘/合閘、潤滑泵啟停、制動泵啟停、啟動允許、急停、復位、上過卷/正常/下過卷、速度控制、手動/自動運行模式等按鈕。PLC 控制器與操作臺以物理模式進行連接，當操作臺上的按鈕有效后將信號傳送至PLC 控制器。PLC 控制器響應并完成操作臺對礦用絞車的控制。在操作臺上還配置有12 寸的液晶顯示器，用于顯示礦用絞車的運行狀態以及故障信息。

3 軟件設計

根據煤礦用絞車控制系統工作原理以及硬件接線原理，基于三菱公司公開發的GXWork2 編程軟件平臺 進行軟件程序設計，采用StructuredProject 編程方式實現。根據礦用絞車控制系統實現的功能，在進行軟件設計時劃分為初始化模塊、軟安全回路模塊、變頻控制模塊、液壓控制模塊、速度測量模塊以及通信模塊六部分。初始化模塊完成異步電動機傳動減速比、鋼絲繩系數、鋼絲直徑值參數的設置和初始化，還需完成A/D 模塊的初始化。軟安全回路模塊用于監測是否存在變頻器故障、絞車超速故障、鋼絲繩斷開故障、油壓過壓故障、行程開關故障、傳感器故障等，只要檢測到故障發生，軟安全回路立即斷開并觸發聲光語音報警。變頻控制模塊用于完成對絞車異步電動機的變頻控制，如啟動、正轉、反轉、加速、減速等。液壓控制模塊用于對潤滑泵和制動泵進行控制，如啟停、抱閘、加入潤滑劑等。速度測量模塊用于完成對絞車異步電動機實際運行轉速的檢測和測量，通過獲取并解析E6B2-C 旋轉編碼器的脈沖輸出次數精確獲取絞車運行速度。通信模塊用于建立并維護控制器與變頻器、控制器與操作臺之間的Modbus 通信連接，保證系統通信的穩定性和連續性。礦用絞車控制系統軟件詳細流程如圖2 所示，當控制系統完成系統初始化、接通軟安全回路、獲取提升信號、行車方向且液壓站油壓正常時，啟動電動機并松閘。當礦用絞車運行速度達到給定值后恒速運行；當實際運行速度超過給定值的15%時，延時200 ms 后抱閘。當礦用絞車運行至減速點時自動減速，運行速度降至給定值后達到終點停車；當礦用絞車運行速度為降至給定值且超過給定的10%，延時200 ms 后抱閘。

圖2 煤礦絞車控制系統軟件流程圖

4 結語

為提升礦用絞車的運行可靠性，基于礦用絞車工作原理，采用三菱FU3U-64MR 控制器以及三菱FR-F440-45K-CHT 型變頻器為核心，對礦用絞車的控制系統進行優化改造；經技改后的絞車控制試驗運行效果良好，控制系統運行穩定、可靠，實現了絞車平滑調速、穩定、安全運行，大幅提升了煤礦運輸效率。