吳水章，秦玉忠

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

礦井提升機(jī)在連續(xù)運(yùn)行過程中，由于裝載料斗裝料時顆粒不均勻、密度不一樣、每個料斗裝載的深淺不一致等因素，導(dǎo)致每個料斗裝載的料重不相同；再加上巷道中坡度有一定的起伏差異、軌道寬窄的微小差異、空氣阻力等自然條件的影響都可能會造成提升機(jī)負(fù)荷不均衡現(xiàn)象，因此造成負(fù)荷時而偏大，時而正常，影響提升機(jī)的正常運(yùn)行，特別嚴(yán)重時可能跳閘或產(chǎn)生嚴(yán)重故障，導(dǎo)致提升機(jī)停運(yùn)，影響正常生產(chǎn)。為此，針對提升機(jī)的負(fù)荷不均衡特點(diǎn)對它的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計。

1 控制系統(tǒng)硬件和軟件

依據(jù)AQ 1035—2007 煤礦用單繩纏繞式礦井提升機(jī)安全檢驗(yàn)規(guī)范、《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）及其他相關(guān)規(guī)范對提升機(jī)電氣控制的要求，設(shè)計提升機(jī)PLC 控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)框圖如圖1。

提升機(jī)PLC 控制系統(tǒng)[1]主要包括變頻器、PLC控制部分和傳感器及其他信號等。

1）變頻器選用艾默生CT SPM 系列變頻器，它具備異步電動機(jī)參數(shù)自整定測試、自動辨識、自適應(yīng)功能，可以自動地對異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對異步電動機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制[2]。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of PLC control system

2）PLC 控制部分采用西門子S7-1200PLC，配置數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RS422/485 通訊模塊等[3]，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)起/停、安全保護(hù)、潤滑站及液壓站的啟停配合等連鎖控制。配有觸摸屏，實(shí)時顯示提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。PLC 開關(guān)量輸入信號包括增量編碼器脈沖信號、操作臺控制信號、變頻器信號、制動液壓站和潤滑站信號、過卷過速閘間隙等傳感器信號, 增量脈沖編碼器用來測量提升機(jī)的繩速和相對位置[4]。PLC 開關(guān)量輸出信號包括制動油泵、潤滑油泵電機(jī)控制、主電機(jī)風(fēng)扇控制、主電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、電磁閥中繼、報警指示、故障指示等。

3）設(shè)置打點(diǎn)信號，方便司機(jī)實(shí)現(xiàn)信號聯(lián)絡(luò)；配有數(shù)字電壓電流表，檢測主電機(jī)的電壓和電流。電機(jī)溫度通過鉑熱電阻檢測后進(jìn)入溫度巡檢儀，通過RS485 通訊傳給PLC 處理。

軟件程序設(shè)計采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)、擴(kuò)展和調(diào)試。系統(tǒng)程序由主程序、初始化子程序、高速計數(shù)子程序、流程控制子程序、故障處理子程序、數(shù)據(jù)循環(huán)處理子程序、中斷子程序等組成[5]。

控制系統(tǒng)設(shè)有半自動、手動、檢修、驗(yàn)繩、應(yīng)急開車等操作方式[6]。檢修和手動時提升機(jī)司機(jī)按工藝流程分別單獨(dú)啟停潤滑泵、制動泵和變頻器；半自動時提升機(jī)司機(jī)只需按下提升機(jī)啟動或停止按鈕，控制系統(tǒng)則按流程和工序依次啟停潤滑泵、制動泵、變頻器等[7]。

2 控制系統(tǒng)策略

為了解決提升機(jī)負(fù)荷不均衡問題，分別采取以下策略解決[8]：

1）提升機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)矢量控制功能。變頻器電機(jī)控制方式一般分3 種方式：標(biāo)量V/F 控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制。閉環(huán)矢量控制就是使用反饋裝置的電機(jī)控制，在提升機(jī)驅(qū)動主電機(jī)軸上安裝1 個增量型編碼器，將其信號反饋給變頻器，具有零速滿轉(zhuǎn)矩功能。采用閉環(huán)時，規(guī)定時間內(nèi)的常規(guī)過載值明顯優(yōu)于開環(huán)模式的相應(yīng)值。針對提升機(jī)在運(yùn)行過程中負(fù)荷不均衡的特點(diǎn)，艾默生CT SPM 系列變頻器提供了一種轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制方案，提升機(jī)速度電流雙閉環(huán)邏輯框圖如圖2。圖2 中2 個調(diào)節(jié)器分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入。再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制IGBT 逆變器的觸發(fā)裝置[9]。

2）電源進(jìn)線濾波功能。電源側(cè)增加進(jìn)線電抗器，可降低因相位不平衡或電網(wǎng)嚴(yán)重干擾造成的驅(qū)動器損壞，同時降低諧波電流。若采用額外線路電抗，建議增加的電抗器壓降為2%左右。如有必要亦可采用更高值，但可能會因壓降引起驅(qū)動器輸出損耗（高速時轉(zhuǎn)距降低）。電抗器電流額定值連續(xù)電流額定值：不低于驅(qū)動器連續(xù)輸入電流額定值。重復(fù)峰值電流額定值：不低于驅(qū)動器連續(xù)輸入電流額定值的2倍。所需額外電感為：

式中：L 為電感，H；Y 為進(jìn)線電抗器壓降百分比，%；U 為線間電壓，V；f 為電源頻率，Hz；I 為驅(qū)動器額定輸入電流，A。

圖2 提升機(jī)速度電流雙閉環(huán)邏輯框圖Fig.2 Double closed loop logic block diagram of ropeway velocity current

3）能耗制動功能。驅(qū)動器使電機(jī)減速，或因機(jī)械干擾阻止電機(jī)加速時，即發(fā)生制動，制動能量由電機(jī)返回驅(qū)動器。驅(qū)動器制動電機(jī)時，驅(qū)動器可吸收的最大再生電源等于驅(qū)動器功耗（損耗）。缺省狀態(tài)下，驅(qū)動器以PI 控制制動電機(jī)，PI 控制必要時會延長減速時間以避免直流母線電壓超出用戶定義之設(shè)定點(diǎn)。若希望驅(qū)動器迅速降低電機(jī)速度或吸收發(fā)電負(fù)載能量，則須安裝制動電阻器。40 ℃時制動電阻最小阻值及峰值額定功率見表1。表1 中*為獨(dú)立驅(qū)動器設(shè)定最小電阻值。當(dāng)驅(qū)動器作為公共直流母排系統(tǒng)的一部分時，該值需重新設(shè)定。在沒有直流母排連接的并行系統(tǒng)中，電阻值必須在±5%以內(nèi)。高慣性負(fù)載或連續(xù)制動情況下，制動電阻連續(xù)功耗可能高達(dá)驅(qū)動器額定功率水平。制動電阻總功耗取決于從負(fù)載中汲取的能量。瞬時額定功率指脈寬調(diào)制制動的開通期間最大短時功耗。制動電阻須可承受較短間隔（毫秒）的功耗。較高的電阻值，要求按比例降低瞬時額定功率。多數(shù)場合下，制動僅偶爾啟動。因此，制動電阻的額定功率一般遠(yuǎn)低于驅(qū)動器額定功率。但是，制動電阻的瞬時額定功率及額定能量須足以應(yīng)付可能出現(xiàn)的極限制動情況。制動電阻器優(yōu)化須仔細(xì)考慮制動負(fù)載。所選制動電阻阻值不得低于指定的最低電阻值，較大電阻值可節(jié)省成本，且制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可保證安全。但若所選電阻值過高，制動能力反而會下降，導(dǎo)致驅(qū)動器在制動過程中故障跳脫。

4）變頻器調(diào)速范圍及調(diào)速精度。變頻器采用帶速度編碼器反饋的閉環(huán)控制方式，使系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高。變頻器開環(huán)與閉環(huán)矢量控制方式調(diào)速范圍和調(diào)速精度比較見表2。

表1 40 ℃時制動電阻最小阻值及峰值額定功率Table 1 Minimum resistance value and peak rated power of brake resistance at 40 ℃

表2 開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速范圍和精度比較表Table 2 Comparison of speed range and accuracy between open loop and closed loop

5）高速計數(shù)功能檢測速度。在提升機(jī)滾筒主軸上安裝1 個增量型編碼器，將編碼器脈沖信號送給PLC，通過高速計數(shù)方式計算提升機(jī)牽引繩出繩線速度。

6）電流檢測功能。電流檢測通過變頻器獲取，一種方式是通過變頻器模擬量輸出端子直接送給PLC模擬量處理；另一種方式通過RS485 通訊方式直接從變頻器讀取電流。

7）制動油壓恒定功能。制動泵油壓由比例溢流閥控制，比例溢流閥電流由PLC 模擬量輸出模塊輸出的4～20 mA 電流通過功率放大器提供；油壓通過壓力變送器來檢測；通過提供恒定的電流獲得恒定的制動油壓，當(dāng)油壓發(fā)生變化時可動態(tài)的調(diào)整模擬量模塊輸出電流來保持油壓的恒定[10]。

3 結(jié) 語

基于變頻控制的提升機(jī)負(fù)荷不均衡系統(tǒng), 采用西門子PLC 作為提升機(jī)控制系統(tǒng)核心，通過艾默生CT SPM 系列變頻器閉環(huán)矢量控制方式實(shí)現(xiàn)寬范圍高精度調(diào)速、平穩(wěn)啟停，配置制動單元加能耗電阻實(shí)現(xiàn)位能負(fù)載和加減速產(chǎn)生的能量釋放；具有轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)矢量控制、電源濾波、能耗制動、高速計數(shù)、電流檢測、制動油壓恒定等功能；設(shè)有半自動、手動、檢修等操作方式，根據(jù)工藝流程實(shí)現(xiàn)潤滑泵、制動泵、電磁閥和變頻器的正常啟停，達(dá)到速度可控、負(fù)荷動態(tài)均衡處理、降耗增效的目的。

通過合理選型，采用艾默生CT SPM 系列變頻器閉環(huán)矢量控制，利用西門子PLC 集中控制，很好地動態(tài)解決了提升機(jī)在復(fù)雜條件下產(chǎn)生的負(fù)荷不均衡問題，提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗，保證了提升機(jī)安全可靠運(yùn)行。