煤礦無極繩絞車變頻調速控制系統的設計

賀敏慧

（晉能控股煤業集團寺河煤礦， 山西 晉城 048200）

引言

近年來，隨著經濟水平的不斷提升，工業化發展的進程也越來越快，在工業化發展過程中，煤炭資源是一種必不可少的資源。伴隨煤炭需求的逐漸增多，煤礦開采的深度也在不斷增加，復雜的水文地質環境使得煤礦的開采過程受到了一定阻礙，也推動了煤礦開采技術的飛速發展。隨著大數據、故障診斷等新興技術的出現，煤礦開采也逐漸朝著機械化和智能化的方向飛速前行，無極繩絞車是煤礦開采過程中所需的重要設備之一，主要應用于大傾角、大載荷的工作環境之中。但是現階段多數煤礦無極繩絞車電機控制的方式仍然為直啟或軟啟，難免會在工作過程中出現絞車控制精度較低等問題。該領域內的諸多學者也對無極繩絞車現存問題進行了分析，其中陳甲君[1]指出，無極繩絞車的待改進之處包括啟動電流數值過大、運行過程中振動較大以及抗干擾能力較弱等，在此基礎上通過控制系統提升無極繩絞車的速度控制精度，并采取人工魚群算法實現系統參數的優化，使得控制系統具有較高的精度和穩定性。本文主要通過變頻控制器實現控制系統的優化，能夠提升控制系統的精度和穩定性，為同類型礦井無極繩絞車控制系統的優化提供了一定借鑒。

1 設計方案

1.1 總體設計方案

為了實現準確運輸的目標，無極繩絞車運行過程中的相關要求包括：在實現方向精確控制的基礎上，實現速度的精確控制，包括系統速度變化的控制以及關鍵環節速度的及時變化和調整，確保絞車運行過程中不會由于速度參數不合理導致絞車運行不可控現象的出現，上述功能要求均可通過變頻調速控制器實現。無極繩絞車內部通過液壓傳動系統進行調速，具有調節效率高、承載能力強等特點。根據控制方式的不同，容積調速能夠分成手動調速和與電控調速兩類，而這雖然在操作方式上略有差異，但是都能夠實現速度調節的要求。容積調速的優勢在于調節精度較高，不會出現節流、溢流等情況，調速過程較為穩定使得系統運行的效率有所提升。通常情況下液壓系統包括以下幾個組成部分：主回路、操控回路以及制動回路等。本文基于PLC 對液壓系統相關參數進行優化[2]。

無極繩絞車變頻調速原理圖如圖1 所示，變頻調速系統內部結構能夠分為以下模塊：變頻器、PLC、控制臺以及上位機等。PLC 控制器是整個系統的核心組成部分，主要作用是接收信息采集模塊收集的系統壓力和速度值等相關參數，進行邏輯處理后將命令傳輸至控制臺實現命令的執行，實現控制變頻器模式的切換和數值的調節。電機和變頻器采用U/V/W 的方式關聯，一旦絞車進入運動狀態，編碼軟件會將收集的速度參數等信號傳輸至PLC 控制器處，PLC 控制器將信息進行分類和邏輯處理之后通過CAN 通信模式傳輸至上位機，最后在顯示屏上呈現給操作人員，該方式能夠提升操作人會員的管理效率，及時發現絞車運行過程中出現的問題并進行維護調修。

圖1 無極繩絞車變頻調速原理圖

1.2 硬件選型

PLC 控制器作為整個控制系統的硬件核心，型號選取十分重要，本次設計選取西門子S7-226-AC/DC/RELAY 型號的控制器，該型號控制器具有內部存儲空間較大、擴展性較好等優勢。控制器的直流模塊型號為EM223-181/180 因此運行過程中穩定性較高、井下工作過程中數據傳輸精度較高[3]。模擬量擴展模塊選用EM231-AI-6×12BITS，該型號具有井下信息傳輸較為準確、運行穩定性較好等特點，能夠適應礦井中由于爆破造成的振動現象；電機選取礦用YBBP-315S-4 三相異步電機，額定功率、電流和轉速分別為110 kW、200.4 A 以及1 500 r/min，常規環境下工作效率 93% ； 變 頻器選取三 菱 700 系列FR-A740-132KCHT 型號，變頻精度 10.2% ，額定容量132 kW，輸出頻率保持在0.2～400 Hz 范圍內。

1.3 軟件設計

控制系統的軟件部分程序組成為1 個PLC 主程序以及12 個子程序，相互間通過通信模塊實現信息的傳輸，其中子程序的主要作用為無極繩絞車運行過程中的數據處理、模式切換以及參數調節等，PLC 軟件控制程序結構示意圖如圖2 所示。

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的主要功能包括絞車運行過程中的模式切換、參數調節以及變頻啟動等，此外由于系統集成有PLC 控制模塊，因此在絞車運行過程中能夠實現電機速度的實時監測和邏輯分析，進而實現系統壓力以及牽引速度等參數的實時獲取，達到高精度高效率變頻控制的目的。系統運行過程中，為了避免突發情況對系統硬件設施造成破壞，應當在子程序模塊中設置保護子程序和緊急制動子程序，一旦絞車運行過程中相關參數超過了允許范圍，收集的信息會及時傳輸至PLC 控制器中，PLC 控制器在對信號進行邏輯處理后會向執行機構發出相應的命令，實現緊急狀態下的系統保護，避免由于外部因素影響以及內部參數改變造成系統出現破壞，提升了系統的運行效率和安全性。

變頻器的初始化流程圖如圖3 所示，根據運行狀態的不同，將變頻器分為故障狀態、準備狀態、空閑狀態以及使能狀態四個狀態。變頻器在使用前需要進行初始化，初始化過程中首先需要進行故障檢測，一旦發現存在故障，則需要先進性故障清理，清理完畢后或者故障檢測通過后即可進入準備階段，如果系統并非重新啟動，則無需進行故障檢測，直接進入準備狀態即可，準備狀態下控制系統發出使能指令，使得整個系統進入使能狀態，設備啟動投入工作。

圖3 變頻器的初始化流程圖

2 運行效果分析

將本文設計的變頻控制無極繩絞車放入井下實際工作環境中進行為期3 個月檢驗，結果如下：

1）本次設計的變頻控制系統在實地檢驗中展現出運行過程穩定、速度控制精確、控制效率較高以及信號傳輸較為流暢等優勢，能夠有效應對復雜的水文地質環境。

2）電機控制過程中，一旦系統檢測到當前運行速度超過1 500 r/min 時，此時反轉按鈕無效，控制系統會先將速度調節至降至合理的范圍內，隨后執行反轉命令，避免了設備的損壞，提升了電機的使用壽命。

3）系統運行過程中，故障的顯示較為迅速且覆蓋面較廣，并且在故障顯示處會針對故障類型顯示應當采取的緊急措施或者解決方案，減少操作人員的勞動強度。

4）遠程操作系統實現了作業現場無人化的目標，通過信號傳輸模塊實現了操作人員指令的快速遠程傳輸。

3 結語

本文針對現階段礦用無極繩絞車井下運行過程中存在的急停急啟控制精度較低的問題，基于變頻控制器研發了一種變頻調速控制系統，在此基礎上進行了系統硬件和軟件模塊的設計分析，于此同時將設計好的變頻控制系統進行實地檢驗，得出結論：該變頻控制系統具有運行過程較為穩定、速度調節精度較高以及抗干擾能力較強等特點，為同類型礦井無極繩絞車控制系統的變頻策略涉及提供了借鑒。