變頻調速控制器在煤礦無極繩絞車中的應用

劉遠亮

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦，山西 古交 030299）

引言

隨著科學技術的快速發(fā)展，我國煤礦逐步朝著現代化、智能化的方向發(fā)展，無極繩絞車作為我國運輸系統中重要的輔助設備，在大傾角、大載荷運輸環(huán)境中被廣泛應用[1]。傳統的無極繩絞車采用直啟或者軟啟的方式進行電機控制，在負載運行過程中，無法實現精準控制無極繩絞車變頻控制的目的，所以需要對無極繩絞車的電控系統進行優(yōu)化設計。此前眾多學者對無極繩絞車控制系統進行過一定的研究[2]。

1 變頻調速控制系統的設計方案

無極繩絞車選定液壓傳動系統實現調速，其功率大、響應速度快。同時調速的原理是變量泵通過反應對變量機構進行速度的調整。其中容積調速可分為手動與電控兩種，雖然手動調速與電控調速的操作流程不同，但均可以實現對無極繩絞車調速的目的。容積調速的優(yōu)點在于其不會出現節(jié)流、溢流等問題，這就使得調速的穩(wěn)定性及效率均能得到一定的提升，有效地保證提升物資運輸過程的平穩(wěn)性。一般的液壓系統通常由主回路、操控回路、制動回路等部分組成。本文基于PLC 對液壓系統進行優(yōu)化設計。

無極繩絞車變頻調速原理如圖1 所示，變頻調速系統主要由變頻器、PLC、控制臺、上位機等組成。其控制核心為PLC 控制器，其獲取系統壓力以及牽引速度值后進行邏輯處理，并將處理后的信號及時與控制臺進行互通，從而使得控制臺控制變頻器，達到變頻器啟停、加減速等操作。電機與變頻器按照U/V/W 依次連接，當無極繩絞車電機啟動后，此時編碼軟件會將電機的轉速及運行信號及時傳輸至PLC控制器，PLC 控制器將電機、變頻器的運行參數及故障信息等通過CAN 通信模式傳輸至上位機進行顯示，便于管理人員及時發(fā)現及觀察無極繩絞車的實時運行情況及對絞車的故障進行檢測。

圖1 無極繩絞車變頻調速原理

2 變頻調速控制系統的軟硬件選型

2.1 硬件選型

本文選用S7-226-AC/DC/RELAY 西門子控制器，控制器擁有8 kB+5 kB 的儲存空間，且具有很好的可擴展性，直流模塊選用內置有RC 濾波和光電隔離EM223-181/180，該模塊具有很強的抗干擾能力，能夠保證井下數據傳輸過程中的準確性，模擬量的擴展模塊選用兼有數字量/ 模擬量濾波器的EM231-AI-6×12BITS，該模塊同樣適合井下工作，具有抗爆、抗干擾的能力。系統的電機選用礦用YBBP-315S-4 三相異步電機，電機額定功率為110 kW，額定電流為200.4 A，額定轉速為1 485 r/min，工作的功率因素為0.9，工作效率為93%。同時選用三菱700系列中的FR-A740-132KCHT 變頻器，其精度為±0.2%，額定容量為132 kW，輸出頻率為0.2～400 Hz。

2.2 軟件設計

無極繩絞車變頻調速系統由PLC 主程序及12 個子程序組合而成，主程序與子程序通過通訊模塊進行連接，并可以相互調試，子程序主要用于保證無極繩絞車運行過程中的保護、正常急啟急停、數據處理、復位、變頻控制等，具體的PLC 軟件控制程序結構見圖2。

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能夠實現對無極繩絞車的變頻啟動、停止減加速等操作，同時系統可以通過PLC 控制器對系統檢測的電機反饋轉速進行邏輯分析，同時給出系統當前的系統壓力和牽引速度，對系統進行實時的變頻控制，從而使得電機的轉速得到及時的調節(jié)，為了保證無極繩絞車變頻控制系統的穩(wěn)定性及安全性，需要在整個系統中增加保護設置子程序和緊急停車處理子程序，當變頻控制系統檢測到設備運行過程中存在超過設定值的情況時，會立刻傳輸至PLC 控制端，PLC 控制器接收到異常信號后會對系統進行緊急保護操作，避免出現由于急停急啟及負載過量等原因造成的系統損壞，有效地保證了變頻控制系統的安全運行，提升了運行效率。

變頻器的初始化流程如圖3 所示，可以看出，變頻器運行過程中存在四個狀態(tài)分別為故障狀態(tài)、準備狀態(tài)、空閑狀態(tài)和使能狀態(tài)，四個狀態(tài)中故障狀態(tài)為變頻器的初始狀態(tài)，而使能狀態(tài)為系統的預運行狀態(tài)，在使能狀態(tài)下，給定電機速度或和系統運行轉矩后，電機運行。變頻器的初始化流程首先進行故障檢測，當系統發(fā)現故障時，此時會進入故障檢測的指令，而系統未發(fā)現故障則進入運行前的準備階段，故障清理后會進入準備階段，而如果系統不處于空閑狀態(tài)時直接進入準備狀態(tài)，對準備狀態(tài)進行檢測，處于準備狀態(tài)則發(fā)出使能指令，而當系統不處于準備狀態(tài)時直接進入使能狀態(tài)，設備開始運行。

圖3 變頻器的初始化流程圖

3 應用效果分析

對設計的變頻控制無極繩絞車進行工業(yè)化研究，歷經3 個月的井下試驗，得出如下運行結論：設計的變頻控制系統運行安全、穩(wěn)定，PLC 控制器能夠對變頻器的節(jié)點進行有效控制，PLC 控制器與變頻器間的通信信號傳輸較為暢通，未受到井下工作的影響；在電機的控制流程中，當系統的運行速度達到1 500 r/min 時，此時按下“反轉”按鈕時，系統不會立刻進行反轉，而是先將系統運行速度控制于一定合理范圍值時，進行反轉，防止速度遞減過快對電機及系統的損壞；系統運行中，故障的處理顯示較為全面，且能給出故障的初步解決方案，提升了設備的運行效率；遠程操作系統能夠較好的對系統進行控制，信號傳輸速度較快。