秦紅強(qiáng)

（霍州煤電集團(tuán)洪洞億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041600）

引言

目前開(kāi)采過(guò)程的機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化程度在不斷提高，煤礦行業(yè)已經(jīng)迎來(lái)了自動(dòng)化發(fā)展時(shí)代。尤其在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，各個(gè)機(jī)械設(shè)備采用的自動(dòng)化裝置有效地提高了開(kāi)采的效率。其中提升機(jī)的自動(dòng)化程度發(fā)展較大，在提升質(zhì)量和運(yùn)行速度方面均得到了較大的提高。提升機(jī)的自動(dòng)化和數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用也在不斷實(shí)施，提升了生產(chǎn)過(guò)程的精確控制性。提升機(jī)在進(jìn)行技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也存在一定技術(shù)方面的缺陷[1]。在承擔(dān)物料輸送、設(shè)備轉(zhuǎn)移和人員運(yùn)輸方面的數(shù)字化程度還有待提高。為了進(jìn)一步提高起重機(jī)在工作過(guò)程中的作業(yè)精確性，確保工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)其調(diào)速裝置系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究[2]。采用變頻控制技術(shù)，對(duì)提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的提升改造。以工業(yè)可編程控制系統(tǒng)提升運(yùn)輸效率，利用現(xiàn)有高速傳播網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高調(diào)速裝置的容量、范圍寬度、功率因數(shù)，完善提升機(jī)的提升調(diào)速控制系統(tǒng)[3]。

1 提升機(jī)系統(tǒng)概述

1.1 提升機(jī)系統(tǒng)分析

礦井提升機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可分為交流式和直流式。多繩式摩擦提升機(jī)已成為煤礦企業(yè)主要采用的提升機(jī)形式，該類型提升機(jī)具有提升速度快、提升質(zhì)量較大、安全性較高的特點(diǎn)。提升機(jī)在礦井主井使用時(shí)由主電機(jī)、滾筒、液壓站等設(shè)備裝置組成。提升機(jī)通過(guò)在天輪軸上安裝獨(dú)特的編碼器對(duì)提升過(guò)程中的速度進(jìn)行檢測(cè)并反饋至中心控制器，維持合理的速度狀態(tài)，保障礦井的正常運(yùn)行。

1.2 提升機(jī)運(yùn)行方式

提升機(jī)的運(yùn)行離不開(kāi)礦井電網(wǎng)，通常在電網(wǎng)為50 Hz 頻率的供電下進(jìn)行工作，采用的是三相交流同步電機(jī)進(jìn)行提升機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，轉(zhuǎn)速一般維持在45 r/min，通過(guò)同步電機(jī)的控制使得提升機(jī)的機(jī)械特性較為穩(wěn)定[4]。通常提升機(jī)在運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速與定子電源頻率之間為線性關(guān)系。為了增加提升機(jī)的調(diào)速范圍，通常采用為電壓恒定模式，以恒壓頻比控制的方式對(duì)提升機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但是傳統(tǒng)的調(diào)速方式消耗的能量過(guò)大，對(duì)于整體系統(tǒng)的散熱性能造成了影響。因此，考慮采用帶編碼器的變頻控制方式對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)提升機(jī)調(diào)速控制的目的。

2 變頻控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 變頻器選型分析

為實(shí)現(xiàn)提升機(jī)變頻功能，應(yīng)該對(duì)目前市面上常用的變頻器類型交-直-交變頻器和交-交變頻器兩種進(jìn)行優(yōu)選。其中交-直-交變頻器更適用于提升機(jī)的恒壓恒頻[5]，在調(diào)節(jié)過(guò)程中屬于間接變頻調(diào)節(jié)，對(duì)于提升系統(tǒng)的沖擊性較小，因此該變頻器運(yùn)行更加適用，極大地提高提升機(jī)的控制精確性。交-直-交變頻器的功能圖如圖1 所示。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)提升機(jī)惡劣的工況環(huán)境，考慮采用雙PLC 布置的冗余控制技術(shù)，以PID 控制技術(shù)的變頻器作為主要的運(yùn)行部件，同時(shí)結(jié)合矢量控制技術(shù)的電動(dòng)機(jī)作為礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。將提升機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)和保護(hù)信息進(jìn)行采集和反饋，在此過(guò)程中，通過(guò)PLC 為核心進(jìn)行運(yùn)算、處理、決策[6]。同時(shí)注重主站與從站之間的通訊和冗余控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部件的運(yùn)行工作條件進(jìn)行決策判斷，從而使得礦井提升機(jī)整體的調(diào)速控制系統(tǒng)得到掌控，具體運(yùn)行原理如圖2 所示。

圖1 交-直-交變頻器基本功能示意圖

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

3 變頻控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻控制系統(tǒng)的核心運(yùn)行部件為PLC 模塊，考慮到在惡劣環(huán)境中的工作穩(wěn)定性，分別選取S7-400、S7-300 作為主控制器和輔助控制器，兩個(gè)控制器能夠穩(wěn)定地進(jìn)行高強(qiáng)度的運(yùn)算。兩個(gè)控制器的配置方法，如圖3 所示。S7-300/S7-400 控制器主要包括電源模塊、通訊處理模塊、中央處理器和信號(hào)模塊。S7-300/S7-400 控制器分別集成有12 和9 個(gè)模塊，代號(hào)均從-A1 開(kāi)始排列。

圖3 S7-300/S7-400 控制的配置圖

在完成控制器設(shè)計(jì)后，需對(duì)變頻器進(jìn)行配置選型?？刂葡到y(tǒng)的變頻器采用一類功率控制設(shè)備。交-直-交變頻的功率轉(zhuǎn)換以6～12 脈沖進(jìn)行切換。每個(gè)切換狀態(tài)均采用6 個(gè)切換開(kāi)關(guān)，可分別命名為為1T、2T、3T、4T、1CT、2CT、3CT 和 4CT，如圖 4 所示。

最后完成編碼器的選型，并設(shè)計(jì)其與各個(gè)控制部件的接線方式。在對(duì)編碼器進(jìn)行分類時(shí)，可分為增量型和絕對(duì)性型，并且注重正確選用編碼器碼盤的材料，確保在工作過(guò)程中的熱穩(wěn)定性。

3.2 變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件組態(tài)設(shè)計(jì)

圖4 交-直-交變頻器主回路電路圖

考慮到系統(tǒng)軟件與硬件的匹配性，選取西門子step7 軟件作為提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制軟件。通過(guò)step7 軟件驅(qū)動(dòng)S7-300/S7-400 控制器完成變頻調(diào)速，并且能夠及時(shí)提供數(shù)據(jù)異常、報(bào)警記錄、反饋信息。

S7-400 作為主控制器使用在軟件中必須完成組態(tài)設(shè)計(jì)和組建，使得PLC 與各個(gè)部件之間實(shí)現(xiàn)通訊連接。將S7-400 與S7-300 完成控制器的相互配合，實(shí)現(xiàn)S7-300 的輔助控制器的功能，在軟件組態(tài)設(shè)計(jì)中，注重通訊之間的效率以及集中化設(shè)計(jì)，使得整體軟件與硬件配合可靠。PLC 控制模塊之間的通訊設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

圖5 PLC 控制模塊通訊示意圖

3.2.2 人機(jī)交互界面Win CC 的組態(tài)設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)地掌握煤礦主井提升機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行的信號(hào)、速度、主電機(jī)的電流、提升機(jī)運(yùn)行的方向、系統(tǒng)運(yùn)行的深度和閘盤溫度等一系列的狀態(tài)，專門選用工業(yè)自動(dòng)化控制線程經(jīng)常被應(yīng)用到的西門子Win CC 進(jìn)行人機(jī)交互界面的組態(tài)。

主井提升機(jī)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)畫面顯示、運(yùn)行速度的顯示、提升方式的顯示、箕斗深度的顯示、運(yùn)行狀態(tài)的顯示及故障狀態(tài)的顯示等，通過(guò)合理的布局設(shè)計(jì)，最后可以很直觀地觀測(cè)到主井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，如下頁(yè)圖6 所示。

3.2.3 前端、后臺(tái)安全性設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)不僅需要有完備的功能，還需要保證其系統(tǒng)的安全性，因此對(duì)系統(tǒng)前端、后臺(tái)的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的前端會(huì)通過(guò)在線補(bǔ)丁的方式分發(fā)到每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信站。每當(dāng)技術(shù)人員在使用某一服務(wù)時(shí)出現(xiàn)異常狀況，都會(huì)將異常信息發(fā)送給代理進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后將結(jié)果反饋給每一分析模塊。同時(shí)，在后臺(tái)端口，當(dāng)數(shù)據(jù)被破壞了，就可以通過(guò)備份來(lái)進(jìn)行信息修復(fù)，從而保證服務(wù)的不間斷，并且在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用傳輸協(xié)議加密，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的安全性。這樣，即使數(shù)據(jù)被非法獲取了，也不一定能被正確識(shí)別出來(lái)，確保了后臺(tái)數(shù)據(jù)的安全性。

圖6 提升機(jī)變頻控制安全監(jiān)控上位機(jī)界面示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)于煤炭物料資源的需求量增加，要求煤礦企業(yè)在現(xiàn)代化、智能化方面有所突破。煤礦提升機(jī)在工作過(guò)程中的精細(xì)度就應(yīng)隨著智能化設(shè)備發(fā)展程度而有所提升。通過(guò)以PLC 為核心部件的變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用，提高了提升機(jī)的變頻調(diào)速功能的實(shí)用性，在節(jié)約功耗的同時(shí)，也提升了整體系統(tǒng)的安全可靠性。同時(shí)，以Win CC 的組態(tài)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互頁(yè)面能夠清晰明了地將變頻調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行展示和回饋。