高立強(qiáng)

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030053）

引言

礦井提升機(jī)是礦山提升系統(tǒng)的重要設(shè)備[1-2]，礦井物料的運(yùn)輸和礦井人員的運(yùn)輸都與礦井提升機(jī)有著密不可分的關(guān)系。在我國，傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)主要由繼電器和接觸器組成，同時通過電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中進(jìn)行串接附加電阻得以實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的啟動和調(diào)速。但這種控制系統(tǒng)存在可靠性較差、發(fā)生故障幾率高、系統(tǒng)操作復(fù)雜、電耗較大、工作效率低等缺點(diǎn)。針對礦井提升機(jī)的缺點(diǎn)，眾多國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了研究，靳繼波等[3-4]提出了采用變頻器對礦井提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)的柔性啟動及無級變頻調(diào)速，降低了換擋及制動條件下的沖擊能量，有效地提升了提升機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。本文利用變頻器設(shè)計可編程控制器控制系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)的啟動及速度控制，為煤礦高效生產(chǎn)提供了一定的借鑒。

1 變頻器的選定

礦井提升機(jī)在運(yùn)行過程中一般會經(jīng)歷6 個階段，分別為起步階段、加速階段、減速階段、勻速階段、爬行階段及其停車階段。對提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究其實(shí)就是對提升機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，本文采用直接轉(zhuǎn)矩的方案進(jìn)行電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩對提升機(jī)的狀態(tài)控制。提升機(jī)的各轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系可以表示為：

式中：Td為系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m；Ti為傳動系統(tǒng)的固有轉(zhuǎn)矩，N·m；Tn為傳動輪的力矩，N·m；J 為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；g 為重力加速度；ε 為系統(tǒng)的加速度。通過計算可以得出系統(tǒng)在各個階段的轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)礦井提升機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的負(fù)載情況進(jìn)行變頻器的選擇，功率的表達(dá)公式可以表示為：

式中：P 為異步電機(jī)的功率，kW；T 為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m；n 為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

提升機(jī)在進(jìn)行下降工況時，此時系統(tǒng)需要一定的制動轉(zhuǎn)矩對提升機(jī)速度進(jìn)行控制，而在提升機(jī)進(jìn)行提升工況時，由于載荷較大，提升速度十分緩慢，所以需要一定的轉(zhuǎn)矩來控制速度，在進(jìn)行變頻器的選擇時需要滿足一定的轉(zhuǎn)矩要求。由于啟動瞬間電流較大，所以變頻器應(yīng)當(dāng)具備一定的識別電流能力，避免啟動瞬間出現(xiàn)過點(diǎn)保護(hù)的情況。在選定變頻器時需要將變頻器的容量選定為異步電機(jī)的1.2～1.5倍，從而實(shí)現(xiàn)電流在未達(dá)到極限時轉(zhuǎn)矩的輸入滿足要求。根據(jù)以上論述選定變頻器為ACC600，ACC600 變頻器是由ABB 公司生產(chǎn)的ACS600 系列中提升機(jī)專用款，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。

圖1 ACC600 變頻器結(jié)構(gòu)原理示意圖

ACC600 變頻器具有識辨功能，在電機(jī)啟動瞬間，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)會傳輸至變頻器，此時進(jìn)入電機(jī)啟動辨識程序，確定提升機(jī)的工作狀態(tài)，給定最佳的控制方案。同時變頻器具備斷電不停機(jī)的功能，在停電瞬間變頻器不會立即停電，此時電機(jī)會將一部分動能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行儲存，使得電機(jī)可以持續(xù)運(yùn)行，保證保護(hù)功能順利啟動，不會造成電機(jī)的斷電失控。變頻器在啟動瞬間就會提供足夠的轉(zhuǎn)矩，滿足上述要求。ACC600 同樣具備一系列的保護(hù)功能[5-6]。

2 提升控制系統(tǒng)的分析

礦井提升控制系統(tǒng)主要由PLC 控制單元、液壓站、變頻器、操作臺、上位機(jī)監(jiān)視界面等組成。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 提升機(jī)控制系統(tǒng)框架圖

提升機(jī)控制系統(tǒng)選定可編程PLC 為控制單元，可以實(shí)現(xiàn)高速計算，利用放置在電機(jī)、卷輪及飛輪上的編碼器計算其相應(yīng)的運(yùn)行速度，及時將提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反饋。同時根據(jù)液壓站和潤滑站的油溫及油壓信號對提升機(jī)的故障進(jìn)行及時判斷和監(jiān)測。根據(jù)開關(guān)信號和傳感器信號對控制電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速及目標(biāo)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行輸出，實(shí)時將運(yùn)行狀態(tài)傳輸至上機(jī)位，便于監(jiān)控人員實(shí)時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)故障[7]。

變頻器具有過流、過壓、超溫、缺相等保護(hù)功能，具備在緊急情況下安全停車的功能。在接收到控制單元的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信息后，通過計算輸出相應(yīng)電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。同時接收到PLC 指令確定提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸入轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定值時開放機(jī)械閘，當(dāng)進(jìn)行停車時開啟機(jī)械閘，將變頻器的轉(zhuǎn)矩降低至零，防止提升機(jī)的溜車[8]。

操作臺是設(shè)備與操作人員連接的媒介，在操作臺上需要設(shè)定開關(guān)按鍵、手動及自動模式轉(zhuǎn)化按鍵。操作人員利用操作手柄進(jìn)行提升機(jī)運(yùn)行的控制，同時可以通過設(shè)定參數(shù)來實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，方便提升機(jī)發(fā)生故障時的緊急制動。

上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行出現(xiàn)的故障信息，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時記錄，便于后期操作人員了解及研究提升機(jī)的工作行程，也便于提升機(jī)的故障排查及后期故障監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[9]。

PLC 軟件包括了主程序、故障診斷程序、通訊子程序、控制子程序等，主程序在提升機(jī)運(yùn)行過程中，如果無故障發(fā)生時一直處于信號采集、提升控制及通訊程序中循環(huán)，但當(dāng)提升機(jī)發(fā)生故障時，此時主程序執(zhí)行故障處理，跳出循環(huán)。主程序流程圖如圖3-1 所示。

控制的子程序主要用于對開車條件的確定，在提升機(jī)運(yùn)行過程中及時對運(yùn)行的偏差進(jìn)行校正，確定提升機(jī)是否存在故障。當(dāng)接受到啟動的信號后，啟動提升機(jī)，提升機(jī)開始加速運(yùn)動，當(dāng)速度達(dá)到勻速運(yùn)動的速度時，保持勻速運(yùn)動，停止加速。當(dāng)運(yùn)行至減速點(diǎn)時，運(yùn)行速度開始降低，提升機(jī)進(jìn)入爬行工況。當(dāng)運(yùn)行至停車點(diǎn)時，速度降低至零，達(dá)到停車制動，狀態(tài)復(fù)位，等待下次啟動。子程序流程如圖3-2 所示。

圖3 主程序及子程序流程圖

上位機(jī)可以實(shí)時監(jiān)測提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，所以需要在上位機(jī)上顯示提升機(jī)的速度、位置，當(dāng)提升機(jī)發(fā)生故障時需要在窗口彈出報警且有聲光報警，同時可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，且能保存和查詢提升機(jī)的運(yùn)行及故障記錄。根據(jù)以上要求選定LabVIEW 軟件，根據(jù)需要進(jìn)行模塊的制作。同時由于提升機(jī)工況環(huán)境較為惡劣，所以需要在系統(tǒng)中增加一定的抗干擾功能，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行[10]。