張 亮

（山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048047）

引言

運(yùn)輸設(shè)備是煤礦井下工作過(guò)程中不可或缺的裝備，無(wú)極繩絞車以其顯著的優(yōu)勢(shì)在煤礦領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中涉及到的裝備性能提出了更高的要求[2]。以無(wú)極繩絞車為例，傳統(tǒng)的無(wú)極繩絞車系統(tǒng)沒(méi)有使用變頻技術(shù)，導(dǎo)致設(shè)備在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中由于速度突變對(duì)自身產(chǎn)生很大的沖擊[3-4]。另外，無(wú)極繩絞車系統(tǒng)在遇到軌道坡度出現(xiàn)突然變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)顛簸問(wèn)題，運(yùn)行速度不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)安全事故[5]。變頻器調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前已經(jīng)比較成熟，可以將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到無(wú)極繩絞車系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)絞車運(yùn)行速度的穩(wěn)定調(diào)控，有效解決上述問(wèn)題。

1 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

煤礦無(wú)極繩絞車通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。本系統(tǒng)擬通過(guò)PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的控制。如圖1所示為基于變頻器的調(diào)速控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于變頻器的調(diào)速控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖1中，F(xiàn)U和BK分別表示主電路熔斷器和斷路器，對(duì)回路起到過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)電路出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)能對(duì)電路進(jìn)行快速切斷。CT表示電流傳感器，對(duì)主電路中的電流進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。軸編碼器的作用是對(duì)主電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將信號(hào)分兩路進(jìn)行傳輸，分別輸送給變頻器和PLC控制器。CB、SB、DB均為信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)。三相異步電機(jī)電源由變頻器提供，變頻器輸入電壓為380 V，能根據(jù)實(shí)際情況輸出不同頻率的電源供異步電機(jī)使用，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。控制臺(tái)是人機(jī)交互載體，操作人員可在控制臺(tái)中設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，并向系統(tǒng)輸入指令實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。比如控制牽引車的停止與啟動(dòng)、正向運(yùn)行和反向運(yùn)行、運(yùn)行速度調(diào)整、緊急停車等。PLC是系統(tǒng)的核心，一方面接收傳感器檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息，基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)無(wú)極繩絞車進(jìn)行控制。同時(shí)，還可以接收用戶輸入的控制指令進(jìn)行控制。上位機(jī)直接與PLC控制器進(jìn)行連接，將相關(guān)參數(shù)通過(guò)上位機(jī)顯示器實(shí)時(shí)顯示，操作人員能通過(guò)顯示器非常直觀的掌握無(wú)極繩絞車的運(yùn)行狀態(tài)。

2 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的電源供應(yīng)是保證控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提，如下頁(yè)圖2所示為調(diào)速控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖。

X1、X2與220 V交流電進(jìn)行連接，向外輸出三路電路，全部設(shè)置了熔斷器保護(hù)。第一，利用濾波器對(duì)電壓進(jìn)行過(guò)濾后為上位機(jī)進(jìn)行供電，輸出最大電流值為5 A；第二，利用濾波器對(duì)電壓進(jìn)行過(guò)濾后為PLC控制器進(jìn)行供電，輸出最大電流值為3 A；第三，利用變壓器將電壓降低到42 V后為中間繼電器供電。電路中總共設(shè)置了三個(gè)中間繼電器K11、K21和K31，分別通過(guò)Q0.0、Q0.1、Q0.2接受PLC控制器的控制。K11、K21和K31的作用分別是對(duì)變頻器、制動(dòng)閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼電器以及制動(dòng)閘液壓電磁閥的通斷進(jìn)行控制。

圖2 調(diào)速控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖

2.2 PLC控制器的設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC控制器及相關(guān)模塊型號(hào)的選擇

在充分考慮系統(tǒng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對(duì)PLC控制器及相關(guān)模塊型號(hào)的選擇如下：CPU選用S7-226-AC/DC/RELAY型號(hào)，由西門(mén)子公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。具有存儲(chǔ)量大、擴(kuò)展方便等顯著優(yōu)勢(shì)；選用EM223-18/180型直流擴(kuò)展模塊，選用該型號(hào)的原因在于元件內(nèi)部自帶有光電隔離以及濾波模塊，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大大簡(jiǎn)化；選用EM231-AI-6×12BITS型模擬量輸入模塊，可將傳感器采集得到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為PLC控制器能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，并對(duì)模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。

2.2.2 PLC控制器的基本原理圖

如圖3所示為無(wú)極繩絞車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的PLC控制器基本原理圖。從圖中可以看出，整個(gè)PLC控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程由多個(gè)模塊構(gòu)成，下面分別對(duì)主要模塊的功能進(jìn)行介紹。

SHC為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度輸入模塊，PLC控制器通過(guò)對(duì)該輸入信號(hào)的分析判斷得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。CSS為信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，主要將傳感器檢測(cè)得到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為PLC控制器能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，輸入到控制器中對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行識(shí)別判斷。選用的CPU型號(hào)能夠同時(shí)對(duì)6路數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)極繩絞車三相交流異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速、緊急制動(dòng)，以及短路、過(guò)載保護(hù)控制。

LTC和SCT分別表示主電路漏電、短路實(shí)驗(yàn)電路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員的操作可以檢測(cè)短路保護(hù)和漏電保護(hù)電路的可靠性，判斷能否正常工作。SPU是信號(hào)處理電路，作用是將負(fù)載電路中所有的信號(hào)，包括電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)等按照先后順序依次輸送到PLC控制中。DCU為供電電路，主要向PLC控制器進(jìn)行供電，確保整個(gè)供電過(guò)程的穩(wěn)定。PST表示交流電源電路，作用是將外部供電系統(tǒng)提供的220 V電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊需要的供電電壓值并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行供電。

SMTC為無(wú)極繩絞車運(yùn)行系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)該電路可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極繩絞車運(yùn)輸系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變。CHD和OHD為控制信號(hào)包，可以包含很多種控制指令，比如無(wú)極繩絞車的上行和下行、異步電動(dòng)機(jī)的啟停、運(yùn)輸系統(tǒng)的緊急制動(dòng)等控制信號(hào)。DCC為控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，PLC控制器對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷后輸出控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)DCC模塊后作用于變頻器，變頻器根據(jù)控制信號(hào)及時(shí)調(diào)整輸出電路的頻率，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)整。

圖3 無(wú)極繩絞車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的PLC控制器基本原理圖

2.3 變頻器的設(shè)計(jì)

通過(guò)變頻器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極繩絞車電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，在設(shè)備啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中可通過(guò)變頻器進(jìn)行控制，使設(shè)備運(yùn)行速度逐漸升高或降低，避免突然啟動(dòng)和停機(jī)對(duì)設(shè)備造成的沖擊。無(wú)極繩絞車在運(yùn)行過(guò)程中也可對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行控制。變頻器的作用就是對(duì)電路中的頻率進(jìn)行控制，50 Hz的交流電輸入到變頻器后可以輸出0～50 Hz的交流電，將較低頻率的交流電輸入到交流異步電動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)速度的控制[6]。本系統(tǒng)選用的變頻器型號(hào)為BPJ-75/660（1140）。

3 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)只有硬件還無(wú)法正常工作，必須配套使用軟件才能實(shí)現(xiàn)想要的效果。軟件是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心，是確保無(wú)極繩絞車安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

本系統(tǒng)對(duì)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用的是模塊化設(shè)計(jì)思想，即將不同的模塊進(jìn)行打包分開(kāi)設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)某一種功能，然后通過(guò)主程序?qū)Σ煌哪K進(jìn)行組裝串聯(lián)。因此，設(shè)計(jì)的軟件總體結(jié)構(gòu)包括1個(gè)主程序以及12個(gè)子程序，每個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)一項(xiàng)重要的功能，具體見(jiàn)圖4。軟件主程序在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷調(diào)用各個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)無(wú)極繩絞車運(yùn)輸系統(tǒng)速度的控制。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于整個(gè)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)非常清晰，簡(jiǎn)單明了，便于日后維護(hù)。

主程序運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)12個(gè)子程序進(jìn)行不斷的調(diào)用。控制系統(tǒng)啟動(dòng)后首先需要對(duì)整個(gè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行自檢及初始化，此時(shí)需要調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序。初始化檢測(cè)無(wú)誤后系統(tǒng)正常啟動(dòng)，各傳感器開(kāi)始正常工作，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸入到PLC控制系統(tǒng)中進(jìn)行分析和處理。PLC控制系統(tǒng)基于傳感器檢測(cè)結(jié)果，分析無(wú)極繩絞車運(yùn)輸系統(tǒng)的狀態(tài)，判斷是否存在故障問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題則調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。操作人員還可以直接通過(guò)操作臺(tái)將無(wú)極繩絞車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中，控制器同樣可以對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分析判斷進(jìn)而調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序?qū)\(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖4 PLC控制程序結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

1）基于變頻器調(diào)速控制技術(shù)設(shè)計(jì)研究了煤礦無(wú)極繩絞車速度控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用PLC控制器對(duì)變頻器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的控制，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的；

2）對(duì)系統(tǒng)的供電電路、變頻器、PLC控制器等硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其中變頻器和控制器CPU的型號(hào)分別為BPJ-75/660（1140）和S7-226-AC/DC/RELAY，性能完全能夠滿足實(shí)際使用需要；

3）系統(tǒng)軟件部分由1個(gè)主程序以及12個(gè)子程序共同構(gòu)成，主程序運(yùn)行時(shí)需要對(duì)12個(gè)子程序進(jìn)行不斷的調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能；

4）系統(tǒng)可對(duì)絞車開(kāi)啟、停機(jī)以及運(yùn)行過(guò)程中的速度進(jìn)行有效控制，避免速度、運(yùn)行軌道突變對(duì)設(shè)備造成沖擊，有效提升了無(wú)極繩絞車運(yùn)行的可靠性。