提升机直流调速控制策略及现场调试

刘愿圆

（晋能控股集团挖金湾煤业公司辅助运输管理部， 山西 大同 037001）

0 引言

提升机为煤矿生产中的主要提升设备，其作为煤矿地面和工作面的主要运输通道，承担着对物料、人员、材料以及设备的运输任务。对于提升机而言，除了保证其正常的运输量外，对其运输的安全性、可靠性的要求也较高。传统提升机采用晶闸管调速装置进行控制，但是该装置存在硬件电路复杂、故障率高、稳定性差以及控制精度低等问题。为解决上述问题，本文将结合直流调速装置的抗干扰能力、调速简单以及制动性能等优势应用于提升机的调速控制中，并针对性地完成设计相应的控制策略[1-7]。

1 提升机直流调速设计

本文所研究提升机属于落地型多绳摩擦轮提升，该提升机所配套的提升机器为双层四车双罐笼矿车。该提升机的具体工作参数如表1 所示。

表1 提升机具体工作参数

为该提升机所配套电动机的具体型号为ZKTD250/67，其额定功率为1700kW，额定转速为52r/min。与其他设备的直流调速系统相似，提升机直流调速控制系统可以划分为六个部分，分别为动力系统、PLC控制系统、液压系统、全数字直流调速系统、安全回路以及检测监控系统等。结合提升机的实际工作状态，其直流调速控制系统需完成对提升容器的主加速、匀速、主减速、爬行以及停车等控制状态[8-10]。同时，结合提升机的实际工况，要求提升机直流调速控制系统满足四象限运行功能、具备高精度的调速功能、可实现平滑的调速功能、可对行程进行实时显示和控制等功能。

针对提升机直流调速控制需求，本系统采用PLC控制器和直流调速装置实现其功能。其中，所配套PLC 控制器的具体型号为S7-3000 型。所选择配套直流调速装置为6RA70 型整流器，该直流调速装置具有高控制精度、维护成本低、高性价比等基础优势；同时，6RA70 型整流器可采用更先进的控制算法对设备进行控制，与传统的模拟电路的直流调速装置具有本质的区别。

为实现提升机直流调速控制的功能，保证设备的可靠性和安全性，为其配套的关键传感器及其功能如表2 所示。

表2 直流调速控制系统关键传感器及其功能

2 提升机直流调速控制策略

2.1 双闭环直流调速方式

在上述硬件的基础上，为进一步提升直流调速装置对提升机控制的响应速度、稳定性和抗干扰能力，本系统将采用双闭环型的调速系统。所谓双闭环直流调速系统指的是，控制系统包含有基于电流的内环控制系统和基于转速的外环控制系统，具体结构如图1 所示。

图1 双闭环直流调速控制系统

如图1 所示，ASR 为转速调节器，为基于转速的外环控制系统核心；ACR 为电流调节器，为基于电流的内环控制系统核心。两个调节以串联的方式实现连接，对保证整个系统的抗干扰性能、静态稳定性和动态稳定性具有重要基础。

2.2 模糊PID 直流调速控制策略

针对上述电流和转速的双闭环控制要求，对于电流对应的内环控制系统和基于转速的外环控制系统采用模糊PID 控制策略实现其功能。

PID 控制器为当前工业中应用较为广泛的控制器，其基本结构包括有比例调节器、积分调节器和微分调节器。其中，比例调节器的主要功能是保证系统的响应速度；积分调节器的功能是保证系统的控制精度；微分调节器的功能为减少系统超调量。

为保证提升机运行的安全性和可靠性，提升直流调速控制系统的控制精度、响应速度是十分有必要的。实践表明，采用常规PID 控制无法保证系统能够得到最佳、最优的控制效果。因此，本文中提升机的直流调速控制系统将采用模糊PID 控制器实现其电流环和转速环的双闭环控制策略。模糊PID 控制器结构如图2 所示。

图2 模糊PID 控制器结构示意图

基于模糊控制器可根据常规PID 控制器中的Kp、Ki和Kd三个初始参数进行不断优化纠正，实现对系统最优、最佳控制。基于模糊PID 控制策略所建立的提升机直流调速控制系统的传递函数如式（1）所示：

根据提升机的实际运行工况，设定PID 控制器中Kp=20、Ki=1.29、Kd=3.6，根据模糊控制规则确定解模糊因子分别为K1=0.5，K2=K3=0.01。基于Simulink 软件对基于常规PID 控制器和模糊PID 控制器的直流调速控制系统的控制效果进行仿真对比分析，仿真结果如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常规PID 控制器控制效果对比

如表3 所示，基于模糊PID 控制器比基于常规PID 控制器具有更佳、更优的控制效果。首先，基于模糊PID 控制器可在不到1 s 的时间内实现系统达到稳定状态；在调节控制过程中超调量仅为0.16%，可以忽略不计。总的来讲，基于模糊PID 控制策略可进一步提升直流调速控制系统的响应速度和稳定性能。

3 直流调速控制系统调试结果

根据直流调速系统的核心及其控制策略完成设计后应用提升机控制的实际生产中。为保证运行的安全性，在运行前需要对系统开展接线检查、绝缘检查、上电检查等一系列检查动作，并依次开展传动、PLC功能、空载运行、带载运行、过载运行以及停车试验进行调试工作。所设计的提升机直流调速控制系统的实时运行监测画面如图3 所示。

图3 直流调速控制系统实际运行监测画面

在整个调试过程中，提升机直流调速控制系统各个分系统、零部件均可正常运行；尤其是可对提升容器位置和速度的实时监测；并且，当提升机运行出现故障或者安全隐患时，系统能够及时报警并停机，而且可对故障类别及位置进行快速确定，为故障的排查奠定基础。

4 结语

提升机为煤矿综采工作面生产的关键运输设备，其承担人员、物料、设备以及煤炭的运输任务。对于提升机而言，保证其运行的安全性、可靠性尤为重要。为此，本文针对传统提升机调速控制系统精度低、响应速度慢以及安全系数低的问题；采用基于PLC 和直流调速装置为核心设计了直流调速控制装置，并根据提升机运行工况完成了直流调速的模糊PID 控制策略设计。通过实践调试应用，提升机在直流调速控制的作用下可实现高精度、快速响应的控制，而且还对故障进行准确定位。