煤矿无极绳绞车变频调速控制系统的设计

贺敏慧

（晋能控股煤业集团寺河煤矿， 山西 晋城 048200）

引言

近年来，随着经济水平的不断提升，工业化发展的进程也越来越快，在工业化发展过程中，煤炭资源是一种必不可少的资源。伴随煤炭需求的逐渐增多，煤矿开采的深度也在不断增加，复杂的水文地质环境使得煤矿的开采过程受到了一定阻碍，也推动了煤矿开采技术的飞速发展。随着大数据、故障诊断等新兴技术的出现，煤矿开采也逐渐朝着机械化和智能化的方向飞速前行，无极绳绞车是煤矿开采过程中所需的重要设备之一，主要应用于大倾角、大载荷的工作环境之中。但是现阶段多数煤矿无极绳绞车电机控制的方式仍然为直启或软启，难免会在工作过程中出现绞车控制精度较低等问题。该领域内的诸多学者也对无极绳绞车现存问题进行了分析，其中陈甲君[1]指出，无极绳绞车的待改进之处包括启动电流数值过大、运行过程中振动较大以及抗干扰能力较弱等，在此基础上通过控制系统提升无极绳绞车的速度控制精度，并采取人工鱼群算法实现系统参数的优化，使得控制系统具有较高的精度和稳定性。本文主要通过变频控制器实现控制系统的优化，能够提升控制系统的精度和稳定性，为同类型矿井无极绳绞车控制系统的优化提供了一定借鉴。

1 设计方案

1.1 总体设计方案

为了实现准确运输的目标，无极绳绞车运行过程中的相关要求包括：在实现方向精确控制的基础上，实现速度的精确控制，包括系统速度变化的控制以及关键环节速度的及时变化和调整，确保绞车运行过程中不会由于速度参数不合理导致绞车运行不可控现象的出现，上述功能要求均可通过变频调速控制器实现。无极绳绞车内部通过液压传动系统进行调速，具有调节效率高、承载能力强等特点。根据控制方式的不同，容积调速能够分成手动调速和与电控调速两类，而这虽然在操作方式上略有差异，但是都能够实现速度调节的要求。容积调速的优势在于调节精度较高，不会出现节流、溢流等情况，调速过程较为稳定使得系统运行的效率有所提升。通常情况下液压系统包括以下几个组成部分：主回路、操控回路以及制动回路等。本文基于PLC 对液压系统相关参数进行优化[2]。

无极绳绞车变频调速原理图如图1 所示，变频调速系统内部结构能够分为以下模块：变频器、PLC、控制台以及上位机等。PLC 控制器是整个系统的核心组成部分，主要作用是接收信息采集模块收集的系统压力和速度值等相关参数，进行逻辑处理后将命令传输至控制台实现命令的执行，实现控制变频器模式的切换和数值的调节。电机和变频器采用U/V/W 的方式关联，一旦绞车进入运动状态，编码软件会将收集的速度参数等信号传输至PLC 控制器处，PLC 控制器将信息进行分类和逻辑处理之后通过CAN 通信模式传输至上位机，最后在显示屏上呈现给操作人员，该方式能够提升操作人会员的管理效率，及时发现绞车运行过程中出现的问题并进行维护调修。

图1 无极绳绞车变频调速原理图

1.2 硬件选型

PLC 控制器作为整个控制系统的硬件核心，型号选取十分重要，本次设计选取西门子S7-226-AC/DC/RELAY 型号的控制器，该型号控制器具有内部存储空间较大、扩展性较好等优势。控制器的直流模块型号为EM223-181/180 因此运行过程中稳定性较高、井下工作过程中数据传输精度较高[3]。模拟量扩展模块选用EM231-AI-6×12BITS，该型号具有井下信息传输较为准确、运行稳定性较好等特点，能够适应矿井中由于爆破造成的振动现象；电机选取矿用YBBP-315S-4 三相异步电机，额定功率、电流和转速分别为110 kW、200.4 A 以及1 500 r/min，常规环境下工作效率 93% ； 变 频器选取三 菱 700 系列FR-A740-132KCHT 型号，变频精度 10.2% ，额定容量132 kW，输出频率保持在0.2～400 Hz 范围内。

1.3 软件设计

控制系统的软件部分程序组成为1 个PLC 主程序以及12 个子程序，相互间通过通信模块实现信息的传输，其中子程序的主要作用为无极绳绞车运行过程中的数据处理、模式切换以及参数调节等，PLC 软件控制程序结构示意图如图2 所示。

图2 PLC 软件控制程序结构示意图

无极绳绞车的变频控制系统的主要功能包括绞车运行过程中的模式切换、参数调节以及变频启动等，此外由于系统集成有PLC 控制模块，因此在绞车运行过程中能够实现电机速度的实时监测和逻辑分析，进而实现系统压力以及牵引速度等参数的实时获取，达到高精度高效率变频控制的目的。系统运行过程中，为了避免突发情况对系统硬件设施造成破坏，应当在子程序模块中设置保护子程序和紧急制动子程序，一旦绞车运行过程中相关参数超过了允许范围，收集的信息会及时传输至PLC 控制器中，PLC 控制器在对信号进行逻辑处理后会向执行机构发出相应的命令，实现紧急状态下的系统保护，避免由于外部因素影响以及内部参数改变造成系统出现破坏，提升了系统的运行效率和安全性。

变频器的初始化流程图如图3 所示，根据运行状态的不同，将变频器分为故障状态、准备状态、空闲状态以及使能状态四个状态。变频器在使用前需要进行初始化，初始化过程中首先需要进行故障检测，一旦发现存在故障，则需要先进性故障清理，清理完毕后或者故障检测通过后即可进入准备阶段，如果系统并非重新启动，则无需进行故障检测，直接进入准备状态即可，准备状态下控制系统发出使能指令，使得整个系统进入使能状态，设备启动投入工作。

图3 变频器的初始化流程图

2 运行效果分析

将本文设计的变频控制无极绳绞车放入井下实际工作环境中进行为期3 个月检验，结果如下：

1）本次设计的变频控制系统在实地检验中展现出运行过程稳定、速度控制精确、控制效率较高以及信号传输较为流畅等优势，能够有效应对复杂的水文地质环境。

2）电机控制过程中，一旦系统检测到当前运行速度超过1 500 r/min 时，此时反转按钮无效，控制系统会先将速度调节至降至合理的范围内，随后执行反转命令，避免了设备的损坏，提升了电机的使用寿命。

3）系统运行过程中，故障的显示较为迅速且覆盖面较广，并且在故障显示处会针对故障类型显示应当采取的紧急措施或者解决方案，减少操作人员的劳动强度。

4）远程操作系统实现了作业现场无人化的目标，通过信号传输模块实现了操作人员指令的快速远程传输。

3 结语

本文针对现阶段矿用无极绳绞车井下运行过程中存在的急停急启控制精度较低的问题，基于变频控制器研发了一种变频调速控制系统，在此基础上进行了系统硬件和软件模块的设计分析，于此同时将设计好的变频控制系统进行实地检验，得出结论：该变频控制系统具有运行过程较为稳定、速度调节精度较高以及抗干扰能力较强等特点，为同类型矿井无极绳绞车控制系统的变频策略涉及提供了借鉴。