提升機直流調速控制策略及現場調試

劉愿圓

（晉能控股集團挖金灣煤業公司輔助運輸管理部， 山西 大同 037001）

0 引言

提升機為煤礦生產中的主要提升設備，其作為煤礦地面和工作面的主要運輸通道，承擔著對物料、人員、材料以及設備的運輸任務。對于提升機而言，除了保證其正常的運輸量外，對其運輸的安全性、可靠性的要求也較高。傳統提升機采用晶閘管調速裝置進行控制，但是該裝置存在硬件電路復雜、故障率高、穩定性差以及控制精度低等問題。為解決上述問題，本文將結合直流調速裝置的抗干擾能力、調速簡單以及制動性能等優勢應用于提升機的調速控制中，并針對性地完成設計相應的控制策略[1-7]。

1 提升機直流調速設計

本文所研究提升機屬于落地型多繩摩擦輪提升，該提升機所配套的提升機器為雙層四車雙罐籠礦車。該提升機的具體工作參數如表1 所示。

表1 提升機具體工作參數

為該提升機所配套電動機的具體型號為ZKTD250/67，其額定功率為1700kW，額定轉速為52r/min。與其他設備的直流調速系統相似，提升機直流調速控制系統可以劃分為六個部分，分別為動力系統、PLC控制系統、液壓系統、全數字直流調速系統、安全回路以及檢測監控系統等。結合提升機的實際工作狀態，其直流調速控制系統需完成對提升容器的主加速、勻速、主減速、爬行以及停車等控制狀態[8-10]。同時，結合提升機的實際工況，要求提升機直流調速控制系統滿足四象限運行功能、具備高精度的調速功能、可實現平滑的調速功能、可對行程進行實時顯示和控制等功能。

針對提升機直流調速控制需求，本系統采用PLC控制器和直流調速裝置實現其功能。其中，所配套PLC 控制器的具體型號為S7-3000 型。所選擇配套直流調速裝置為6RA70 型整流器，該直流調速裝置具有高控制精度、維護成本低、高性價比等基礎優勢；同時，6RA70 型整流器可采用更先進的控制算法對設備進行控制，與傳統的模擬電路的直流調速裝置具有本質的區別。

為實現提升機直流調速控制的功能，保證設備的可靠性和安全性，為其配套的關鍵傳感器及其功能如表2 所示。

表2 直流調速控制系統關鍵傳感器及其功能

2 提升機直流調速控制策略

2.1 雙閉環直流調速方式

在上述硬件的基礎上，為進一步提升直流調速裝置對提升機控制的響應速度、穩定性和抗干擾能力，本系統將采用雙閉環型的調速系統。所謂雙閉環直流調速系統指的是，控制系統包含有基于電流的內環控制系統和基于轉速的外環控制系統，具體結構如圖1 所示。

圖1 雙閉環直流調速控制系統

如圖1 所示，ASR 為轉速調節器，為基于轉速的外環控制系統核心；ACR 為電流調節器，為基于電流的內環控制系統核心。兩個調節以串聯的方式實現連接，對保證整個系統的抗干擾性能、靜態穩定性和動態穩定性具有重要基礎。

2.2 模糊PID 直流調速控制策略

針對上述電流和轉速的雙閉環控制要求，對于電流對應的內環控制系統和基于轉速的外環控制系統采用模糊PID 控制策略實現其功能。

PID 控制器為當前工業中應用較為廣泛的控制器，其基本結構包括有比例調節器、積分調節器和微分調節器。其中，比例調節器的主要功能是保證系統的響應速度；積分調節器的功能是保證系統的控制精度；微分調節器的功能為減少系統超調量。

為保證提升機運行的安全性和可靠性，提升直流調速控制系統的控制精度、響應速度是十分有必要的。實踐表明，采用常規PID 控制無法保證系統能夠得到最佳、最優的控制效果。因此，本文中提升機的直流調速控制系統將采用模糊PID 控制器實現其電流環和轉速環的雙閉環控制策略。模糊PID 控制器結構如圖2 所示。

圖2 模糊PID 控制器結構示意圖

基于模糊控制器可根據常規PID 控制器中的Kp、Ki和Kd三個初始參數進行不斷優化糾正，實現對系統最優、最佳控制。基于模糊PID 控制策略所建立的提升機直流調速控制系統的傳遞函數如式（1）所示：

根據提升機的實際運行工況，設定PID 控制器中Kp=20、Ki=1.29、Kd=3.6，根據模糊控制規則確定解模糊因子分別為K1=0.5，K2=K3=0.01。基于Simulink 軟件對基于常規PID 控制器和模糊PID 控制器的直流調速控制系統的控制效果進行仿真對比分析，仿真結果如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常規PID 控制器控制效果對比

如表3 所示，基于模糊PID 控制器比基于常規PID 控制器具有更佳、更優的控制效果。首先，基于模糊PID 控制器可在不到1 s 的時間內實現系統達到穩定狀態；在調節控制過程中超調量僅為0.16%，可以忽略不計。總的來講，基于模糊PID 控制策略可進一步提升直流調速控制系統的響應速度和穩定性能。

3 直流調速控制系統調試結果

根據直流調速系統的核心及其控制策略完成設計后應用提升機控制的實際生產中。為保證運行的安全性，在運行前需要對系統開展接線檢查、絕緣檢查、上電檢查等一系列檢查動作，并依次開展傳動、PLC功能、空載運行、帶載運行、過載運行以及停車試驗進行調試工作。所設計的提升機直流調速控制系統的實時運行監測畫面如圖3 所示。

圖3 直流調速控制系統實際運行監測畫面

在整個調試過程中，提升機直流調速控制系統各個分系統、零部件均可正常運行；尤其是可對提升容器位置和速度的實時監測；并且，當提升機運行出現故障或者安全隱患時，系統能夠及時報警并停機，而且可對故障類別及位置進行快速確定，為故障的排查奠定基礎。

4 結語

提升機為煤礦綜采工作面生產的關鍵運輸設備，其承擔人員、物料、設備以及煤炭的運輸任務。對于提升機而言，保證其運行的安全性、可靠性尤為重要。為此，本文針對傳統提升機調速控制系統精度低、響應速度慢以及安全系數低的問題；采用基于PLC 和直流調速裝置為核心設計了直流調速控制裝置，并根據提升機運行工況完成了直流調速的模糊PID 控制策略設計。通過實踐調試應用，提升機在直流調速控制的作用下可實現高精度、快速響應的控制，而且還對故障進行準確定位。