郭鵬飛
(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦,山西 太原 030053)
礦用絞車是煤礦運輸系統(tǒng)的重要組成部分,擔(dān)負(fù)礦井的物料和人員運輸任務(wù),其性能直接影響煤礦生產(chǎn)效率以及安全生產(chǎn)。礦用絞車使用過程中的調(diào)速性能是其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵,傳統(tǒng)礦用絞車調(diào)速控制多采用轉(zhuǎn)子串、切電阻調(diào)速方式,缺點為調(diào)速不平滑、穩(wěn)定性差。針對該問題,國內(nèi)外煤礦科研機構(gòu)以及企業(yè)做了大量的研究工作。文章以礦用絞車為研究對象,將控制器技術(shù)與變頻器相結(jié)合,實現(xiàn)礦用絞車的智能控制,提高礦用絞車控制系統(tǒng)的運行精度,提高運行的可靠性,增強運行的安全性。
煤礦用絞車控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示,交流1 140 V 高壓電源經(jīng)電源轉(zhuǎn)換后為低壓配電柜供電,并由低壓配電柜為控制系統(tǒng)內(nèi)的其他用電設(shè)備供電,如變頻器、操作臺、顯示器、傳感器等,電壓等級為DC24 V、DC12 V 以及DC5 V。在礦用絞車車身布置有行程開關(guān)、壓力傳感器、溫度傳感器等現(xiàn)場傳感器以及檢測儀表,實時記錄并傳送絞車運行狀態(tài)信息。礦用絞車異步變頻電動機配置有旋轉(zhuǎn)編碼器,實時向控制系統(tǒng)反饋絞車實際轉(zhuǎn)速。礦用絞車工作時,有操作臺給出運行、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等指令,經(jīng)控制系統(tǒng)解析并分析現(xiàn)場傳感器設(shè)計及檢測儀表反饋的數(shù)據(jù)后,以Modbus 通信模式控制變頻器按照指定模式運行。變頻器驅(qū)動絞車異步電動機的運行模式可為轉(zhuǎn)速模式,也可為轉(zhuǎn)矩模式??刂葡到y(tǒng)通過設(shè)置給定轉(zhuǎn)矩、母線電流限制及最高轉(zhuǎn)速限制等參數(shù)實現(xiàn)對絞車異步電動機的變頻控制。變頻器可將異步絞車異步電動機的實際轉(zhuǎn)速、IGBT 溫度、電機溫度等值反饋給控制系統(tǒng),并參與邏輯控制。為保證對礦用絞車操作的穩(wěn)定性和實時性,控制系統(tǒng)與操作臺之間以Modbus通信模式完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。
圖1 煤礦絞車控制系統(tǒng)工作原理圖
礦用絞車控制系統(tǒng)用到的硬件設(shè)備包括變頻器、控制器、行程開關(guān)、溫度傳感器、壓力傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等。根據(jù)礦用絞車控制系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計方案對上述硬件進(jìn)行選型。礦用絞車控制系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制方案,為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,輸出功率如下:P=Tn/9 550 . (1)式中:P 為絞車異步電動機功率,kW;T 為絞車異步電動機的額定轉(zhuǎn)矩,N·m;n 為絞車異步電動機的額定轉(zhuǎn)速,r/min。
礦用絞車啟動過程時啟動電流較大,選用的變頻器容量為絞車異步電動機容量的1.1~1.5 倍,本文研究的礦用絞車異步電動機的額定輸出功率為37 kW,因此選用三菱的FR-F440-45K-CHT 型變頻器,其額定輸出功率為45 kW。該變頻器的啟動轉(zhuǎn)矩較大,具備自調(diào)諧功能,能夠提高礦用絞車異步電動機的電機效率。該變頻器支持CAN、CanOpen、Modbus 等多種通信模式,支持PID 控制,能夠保證礦用絞車平穩(wěn)調(diào)速,避免急劇加減速。PLC 控制器選用三菱公司的FU3U-64MR,該控制器具有抗干擾能力強、維護(hù)容易、使用簡單、安裝方便的特點。該控制器可通過PID指令實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制,支持浮點運算、三角函數(shù)等數(shù)學(xué)指令集;能夠方便地擴(kuò)展模塊,響應(yīng)速度快,數(shù)據(jù)存儲空間大。
行程開關(guān)選用正泰的YBLX-ME-810 型,該行程開關(guān)是一種小電流主令電器,通過控制電路接通、斷開達(dá)到限制絞車機械運動的目的。絞車自動控制系統(tǒng)中用到的行程開關(guān)為10 個,分別指示絞車上深度、下深度、中間深度、上過卷、下過卷等。溫度傳感器選用的型號為CWDZ11,為插入式結(jié)構(gòu),采用Pt100 將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并輸出至PLC 控制器。壓力傳感器選用的型號為DATA-52,該傳感器的量程為0~1 MPa,可將檢測到的壓力值轉(zhuǎn)換為4~20 mA 電流信號并通過RS485 通信模式傳送給PLC 控制器。旋轉(zhuǎn)編碼器選用的是歐姆龍的E6B2-C,最大分辨率為2 000 P/r,PLC 控制器實時采集該旋轉(zhuǎn)編碼器信號并對異步電動機進(jìn)行變頻控制。礦用絞車控制系統(tǒng)配置有操作臺,在操作臺上集成了礦用絞車的控制按鈕,如分閘/合閘、潤滑泵啟停、制動泵啟停、啟動允許、急停、復(fù)位、上過卷/正常/下過卷、速度控制、手動/自動運行模式等按鈕。PLC 控制器與操作臺以物理模式進(jìn)行連接,當(dāng)操作臺上的按鈕有效后將信號傳送至PLC 控制器。PLC 控制器響應(yīng)并完成操作臺對礦用絞車的控制。在操作臺上還配置有12 寸的液晶顯示器,用于顯示礦用絞車的運行狀態(tài)以及故障信息。
根據(jù)煤礦用絞車控制系統(tǒng)工作原理以及硬件接線原理,基于三菱公司公開發(fā)的GXWork2 編程軟件平臺 進(jìn)行軟件程序設(shè)計,采用StructuredProject 編程方式實現(xiàn)。根據(jù)礦用絞車控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能,在進(jìn)行軟件設(shè)計時劃分為初始化模塊、軟安全回路模塊、變頻控制模塊、液壓控制模塊、速度測量模塊以及通信模塊六部分。初始化模塊完成異步電動機傳動減速比、鋼絲繩系數(shù)、鋼絲直徑值參數(shù)的設(shè)置和初始化,還需完成A/D 模塊的初始化。軟安全回路模塊用于監(jiān)測是否存在變頻器故障、絞車超速故障、鋼絲繩斷開故障、油壓過壓故障、行程開關(guān)故障、傳感器故障等,只要檢測到故障發(fā)生,軟安全回路立即斷開并觸發(fā)聲光語音報警。變頻控制模塊用于完成對絞車異步電動機的變頻控制,如啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等。液壓控制模塊用于對潤滑泵和制動泵進(jìn)行控制,如啟停、抱閘、加入潤滑劑等。速度測量模塊用于完成對絞車異步電動機實際運行轉(zhuǎn)速的檢測和測量,通過獲取并解析E6B2-C 旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖輸出次數(shù)精確獲取絞車運行速度。通信模塊用于建立并維護(hù)控制器與變頻器、控制器與操作臺之間的Modbus 通信連接,保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。礦用絞車控制系統(tǒng)軟件詳細(xì)流程如圖2 所示,當(dāng)控制系統(tǒng)完成系統(tǒng)初始化、接通軟安全回路、獲取提升信號、行車方向且液壓站油壓正常時,啟動電動機并松閘。當(dāng)?shù)V用絞車運行速度達(dá)到給定值后恒速運行;當(dāng)實際運行速度超過給定值的15%時,延時200 ms 后抱閘。當(dāng)?shù)V用絞車運行至減速點時自動減速,運行速度降至給定值后達(dá)到終點停車;當(dāng)?shù)V用絞車運行速度為降至給定值且超過給定的10%,延時200 ms 后抱閘。
圖2 煤礦絞車控制系統(tǒng)軟件流程圖
為提升礦用絞車的運行可靠性,基于礦用絞車工作原理,采用三菱FU3U-64MR 控制器以及三菱FR-F440-45K-CHT 型變頻器為核心,對礦用絞車的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造;經(jīng)技改后的絞車控制試驗運行效果良好,控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,實現(xiàn)了絞車平滑調(diào)速、穩(wěn)定、安全運行,大幅提升了煤礦運輸效率。