煤礦鋼絲繩絞車控制裝置設計研究

程小冬

（晉能控股煤業集團有限公司技師學院， 山西 大同 037003）

0 引言

絞車是一種集機、電、液于一體的機械設備，主要用于煤礦上的物料和人員運輸，具有運輸效率高、經濟性好的優點，其工作的穩定性和可靠性直接決定了煤礦生產時物料輸送的效率和安全性。目前絞車的控制系統多采用了手動+繼電器控制模式，在工作中存在著調速不平滑、操作繁瑣、故障率高、可靠性差的問題，難以滿足礦用絞車的運行安全性需求[1]。

結合礦用絞車的工作流程及智能化變頻控制技術的發展，本文提出了一種新的煤礦鋼絲繩絞車控制裝置，該裝置以PLC 控制為基礎，以變頻調速控制為核心，通過對鋼絲繩運行時的各類關鍵參數的監測，實現對鋼絲繩絞車運行狀態的精確判斷，能夠滿足在不同工況下精確調控的需求。根據實際應用表明，新的控制系統能夠將絞車的控制反應速度提升89.4%，對提升礦用絞車的運行平穩性和可靠性具有十分重要的意義。

1 絞車控制裝置

礦用絞車主要作用是對井下物料和人員的運輸，常用的功能包括制動、啟動、急停等，為了保證物料和人員運輸的安全性，要求絞車控制系統具備較好的平穩啟動特性和減速特性，同時為了滿足在不同情況下操作便捷性的需求，絞車控制裝置還需要具備快捷的切換方式，滿足變載荷控制需求等。通過對其控制需求的分析，提出了一種新的煤礦鋼絲繩絞車控制裝置，其整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 鋼絲繩絞車控制裝置示意圖

由圖1 可知，該鋼絲繩絞車控制裝置設置在絞車的底座上，包括了變頻器、操作臺、配電柜以及現場傳感器監測儀。系統在運行過程中由現場傳感器對絞車運行時的速度、張緊力、溫度、電流等運行參數進行實時監測，將監測的數據信息傳輸到PLC 控制中心內，由控制系統對絞車的運行狀態進行分析并確定參數調節量，將調整信息傳遞給變頻控制器，由變頻控制器對絞車的驅動電機運行情況進行調整，進而實現對絞車運行狀態的靈活控制，提高絞車的運行安全性。

由于絞車運行時所涉及的監測信息量大，因此為了提高系統數據分析的精確性和可靠性，減少數據傳輸時外界干擾所導致的數據失真情況，系統采用了MODBUS 現場總線系統，通過標準的數據接口和數據傳輸協議，實現了對絞車運行數據信息的快速傳輸，滿足了系統高效、精確分析的控制需求。

為了滿足控制靈活性的需求，在系統中設置了操作臺，能夠使控制人員根據絞車的運行情況，直接發出調控信號，對絞車的運行實現“越級”控制，提高在緊急情況下的控制安全性需求。

2 PLC 控制中心

PLC 是整個礦用絞車先進控制系統的“大腦”，其工作時匯集各個監控傳感器的監測信號，對各種信號進行分類分析，根據分析結果確定礦用絞車接下來的控制邏輯，最終實現對絞車運行狀態的靈活調整。系統采用了MODBUS 現場總線[3]系統實現PLC 控制中心和各個數據模塊之間的數據通信，實現數據的實時交互，滿足礦用絞車控制精確性和可靠性的需求，PLC 控制系統功能原理如圖2 所示[4]。

圖2 PLC 控制系統功能原理圖

在PLC 控制中心內，還設置有故障顯示模塊，能夠通過對各個監測數據的分析，確定絞車的運行狀態是否在正常范圍內，若出現異常數據信息，則系統自動對異常數據的來源、位置進行分析、定位，根據故障庫內的數據匹配情況，確定系統故障的原因，然后將相關數據顯示在監控中心，并發出故障預警，便于監控人員能夠在第一時間確認故障原因并進行排除，確保礦用絞車運行的穩定性和安全性。

3 絞車變頻控制系統研究

該絞車控制系統的核心是能夠根據絞車運行的實際情況靈活的調絞車運行時的啟動、制動速度，為了減少在運行過程中的啟動或者制動沖擊，系統采用了變頻控制模式[5]，實現對絞車驅動電機的控制。由于絞車的運行條件較為復雜，因此對控制系統運行穩定性的要求極高，因此綜合各種因素，系統采用了主控PLC 和監控PLC 的冗余監測控制，其冗余控制原理如圖3 所示。在兩個PLC 控制系統中存在著一個通信鏈路，該通信鏈路采用了高速光纖數據傳輸網絡，能夠實現數據的共享。其中主控PLC 主要用于對變頻器的速度調整、數字量和模擬量的各類信息分析、各類數據信息的輸出等，監控PLC 則主要用于對絞車運行時的速度、位置等進行監測。在監測的過程中還兼顧數據分析處理、故障報警等，兩個PLC 控制系統既實現信息共享，又實現數據分類處理，不僅加快了數據處理速度，而且能夠有效的提升系統的運行穩定性，當一個PLC 系統發生故障時，系統能夠自動切換到一個PLC 控制，實現絞車的不停機穩定運行，從而保持在運行中的安全性，雙冗余控制模式，能夠很好的解決傳統絞車控制系統出現故障后絞車即刻停止運行而帶來的傷害，極大地提升了絞車在物料和人員運輸過程中的安全性。

圖3 冗余監測控制結構示意圖

4 變頻器調速控制方式分析

變頻器在工作時，首先將交流電經過整流后變成直流電，然后通過逆變器將直流電轉換為電流和電壓均可以調節的交流電，其對驅動電機運行狀態調節的平穩性主要是通過控制定子的頻率來實現的，目前主要有矢量控制、直接轉矩控制兩種模式。

矢量控制能夠在調速范圍上和絞車電機完美匹配，而且能夠直接控制絞車電機轉矩的變化，但控制回路相對復雜而且成本極高。直接轉矩控制是直接對電機的轉矩進行控制，在調控過程中不會受到電機參數和運行負載的影響，因此控制過程的超調量較小而且響應時間迅速，控制經濟性較好。結合絞車電機的運行控制要求，最終確定采用直接轉矩控制的模式對電機的運行狀態進行控制。

目前該煤礦鋼絲繩絞車控制裝置已經在多個煤礦投入應用，根據對其應用情況分析，該系統能夠將絞車控制反應時間由最初的18.4 s 降低到目前的1.95 s，反應速度比優化前提升了89.4%，對提升礦用絞車的運行平穩性和安全性具有十分重要的意義。

5 結論

1）采用MODBUS 現場總線系統，通過標準的數據接口和數據傳輸協議，能夠實現對絞車運行數據信息的快速傳輸；

2）雙冗余控制模式，解決了傳統絞車控制系統出現故障后絞車立即停止運行而帶來的傷害，極大地提升了絞車在物料和人員運輸過程中的安全性。

3）新的控制系統能夠將絞車的控制反應速度提升89.4%，對提升礦用絞車的運行平穩性和安全性具有十分重要的意義。