閆軍偉

（山西汾西礦業(yè)（集團）孝義煤礦管理分公司， 山西 孝義 032300）

引言

礦用絞車作為連接礦井地面與井下工作面的重要樞紐，承擔(dān)著運載人員與工器具的重要任務(wù)，對于井下綜采工作面的正常生產(chǎn)運行起著不可替代的作用[1-2]。相關(guān)研究表明，當(dāng)前礦用絞車使用的控制方式基本是手動+繼電器模式，存在一定的局限性，經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)速不平滑、操作難度大、故障頻率高等問題，因此，為了改善傳統(tǒng)控制方式，有必要引進較為先進的控制技術(shù)[3-4]。PLC 作為工業(yè)使用較為成熟的控制器，配合變頻器即可實現(xiàn)礦用絞車的調(diào)速，并且具有操作靈活、可靠性高、編程簡單等優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景[5-6]?；谀趁旱VJSDB-16 型礦用絞車原有自動控制系統(tǒng)，開展基于PLC+變頻器技術(shù)的控制系統(tǒng)，對于進一步提高礦用絞車的可靠性和使用性能具有重要的意義。

1 礦用絞車系統(tǒng)工作原理

基于礦用絞車原有控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)工作原理設(shè)計，如圖1 所示?，F(xiàn)場配置的傳感器，如溫度傳感器、速度傳感器等，負(fù)責(zé)實時采集絞車運行過程中的狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)工作過程中，一旦出現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)異常，將會發(fā)出報警信號或立即停車；系統(tǒng)配置了工業(yè)以太網(wǎng)的連接接口，能夠與監(jiān)控室實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時也可以與上位機進行信息的交換，實現(xiàn)信息共享；系統(tǒng)通訊使用的是Modbus 現(xiàn)場總線，基于Modbus 協(xié)議配置，完成PLC 和變頻器之間的信息通信，減少現(xiàn)場人員操作失誤帶來的損失，由變頻器輸出電機控制指令，控制絞車驅(qū)動電機的輸出速度，達到礦用絞車調(diào)速的目的。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 硬件設(shè)計

2.1 變頻器選型

服役中的礦用絞車驅(qū)動電機為三相異步電動機，額定功率數(shù)值為37 kW，基于此選擇三菱品牌中FR-F740 系列變頻器，具體型號為FR-F440-45KCHT，其輸出額定功率數(shù)值為45 kW。該變頻器引進了勵磁控制技術(shù)，在電機啟動時具有較大轉(zhuǎn)矩，同時能夠保證電機的使用效率，是一種較為先進的節(jié)能驅(qū)動技術(shù)。變頻器應(yīng)用PID 控制電動機的各種狀態(tài)，與此同時，還能用于外部設(shè)備的控制，可以實現(xiàn)驅(qū)動電機的平穩(wěn)調(diào)速，避免急劇地加速和減速運轉(zhuǎn)。

2.2 PLC 選型

PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，選擇了型號為FU3U-64MR 的PLC，屬于三棱電機公司生產(chǎn)制造。PLC 內(nèi)部自帶了時鐘模塊，可以實時顯示時間信息，同時，還自帶其他多個功能模塊，涉及特殊模塊和功能擴展模塊，擴展模塊可擴展出8 個單元，滿足多軸定位的控制要求。PLC 內(nèi)部存儲器容量大小為8 kB，具有可擴展性，能夠擴展容量至16 kB；編制的PID 控制指令具有模擬量閉環(huán)控制的功能，同時具有較為強大的數(shù)學(xué)運算能力。為了提高礦用絞車自動控制的可靠性，采用了PLC 與監(jiān)控PLC 冗余控制的策略，實現(xiàn)對變頻器進行控制，原理圖如下頁圖2 所示。

圖2 雙PLC 冗余控制原理結(jié)構(gòu)圖

2.3 PLC、交流變頻器和電動機之間的連接方式

基于PLC 的絞車自動控制系統(tǒng)與變頻器和電機之間的連接形式包括兩種，分別如下：第一是直接把PLC 自帶的通用輸出接口連接在變頻器的控制端，以此達到控制變頻器的目的；第二是借助中間數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議，如RS485 等，與變頻器之間實現(xiàn)信息通信，實現(xiàn)采集信號數(shù)據(jù)和控制指令的實時傳輸。結(jié)合礦用絞車控制系統(tǒng)實際需要，選擇第二種連接形式，其工作原理如圖3 所示。

圖3 RS485 連接PLC 和變頻器

2.4 編碼器及信號采集

絞車自動控制系統(tǒng)中的編碼器使用的是歐姆龍品牌，是一種增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，具體型號為E6B2-C，分辨率可達2 000 P/r，使用的額定電壓數(shù)值為5 V 直流電。系統(tǒng)監(jiān)控電機和卷筒運行狀態(tài)采用了電機轉(zhuǎn)軸和卷筒位置設(shè)置的編碼器脈沖信號的方法，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲取絞車工作過程中的位置和速度信息。編碼器的引入，代替了傳統(tǒng)使用的深度指示器，解除了對深度指示器的過分依賴，克服了礦用絞車位置采集不準(zhǔn)、滯后等困難，實現(xiàn)了絞車位置和速度信息的實時采集和傳輸，并顯示在上位機供監(jiān)控人員觀察了解礦用絞車的實時運行情況。編碼器和傳感器的形式及布置情況如圖4 所示。

圖4 編碼器和傳感器布置

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序

結(jié)合絞車自動控制系統(tǒng)功能設(shè)計要求，完成了系統(tǒng)軟件運行主程序的設(shè)計，如圖5 所示。由圖5 可以看出，自動控制系統(tǒng)啟動時，第一步先進行程序初始化，其中涉及鋼絲繩系數(shù)、鋼絲繩直徑等，同時，也要完成AD 模塊和DA 模塊的初始化；第二步是確保系統(tǒng)安全回路接通的條件下獲取絞車提升信號，確定絞車的開車方向；第三步是控制絞車運行過程中的啟動、加速、減速、停止等；第四步是分析減速點和停車點位置實際速度與目標(biāo)速度之間的偏差，若偏差數(shù)值滿足控制要求，則進入下一步，否則實行抱閘控制。

圖5 主程序工作流程

3.2 變頻器控制程序

變頻器作為礦用絞車電機驅(qū)動控制的關(guān)鍵部件，直接控制絞車驅(qū)動電機的啟動和停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、速度的給定等。變頻器工作過程中，獲得主令上升或者下降的控制指令時，第一步需要完成抱閘手柄狀態(tài)的確認(rèn)，確保其處于初始位置，與此同時，還要確認(rèn)液壓站的壓力是否滿足要求，之后再次確認(rèn)礦用絞車是否處在停車點，當(dāng)確定絞車處于停車點時，還要確認(rèn)電機是否故障，如果無故障即可啟動驅(qū)動電機。

3.3 上位機

上位機作為礦用絞車自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要任務(wù)是實時顯示絞車運行狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，確保監(jiān)控人員實時掌握絞車工作的狀態(tài)信息。根據(jù)絞車自動控制系統(tǒng)實際情況，完成了上位機主界面設(shè)計，如圖6 所示。圖6 左上角實時顯示絞車啟停、升降、速度等參數(shù)信息，左下角實時顯示變頻器電壓、電流等，右邊顯示絞車動作畫面。通過點擊界面中的相關(guān)按鈕可以進行界面切換，點擊注銷推出當(dāng)前頁面，點擊“退出系統(tǒng)”鈕，退出整個系統(tǒng)。

圖6 自動控制系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果分析

為了驗證礦用絞車自動控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性，將PLC+變頻器技術(shù)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦絞車中進行控制測試，跟蹤記錄測試情況。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了絞車變頻調(diào)速功能。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)的繼電器控制，PLC 控制系統(tǒng)具有突出的操作簡便、功能齊全等特點。

該控制系統(tǒng)的引進，提高了絞車近10%的有效工作時間，減少了絞車近5%的故障排除時間，節(jié)省了2~3 名設(shè)備保全人員，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近60 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。