程小冬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司技師學(xué)院， 山西 大同 037003）

0 引言

絞車是一種集機(jī)、電、液于一體的機(jī)械設(shè)備，主要用于煤礦上的物料和人員運(yùn)輸，具有運(yùn)輸效率高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦生產(chǎn)時物料輸送的效率和安全性。目前絞車的控制系統(tǒng)多采用了手動+繼電器控制模式，在工作中存在著調(diào)速不平滑、操作繁瑣、故障率高、可靠性差的問題，難以滿足礦用絞車的運(yùn)行安全性需求[1]。

結(jié)合礦用絞車的工作流程及智能化變頻控制技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種新的煤礦鋼絲繩絞車控制裝置，該裝置以PLC 控制為基礎(chǔ)，以變頻調(diào)速控制為核心，通過對鋼絲繩運(yùn)行時的各類關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩絞車運(yùn)行狀態(tài)的精確判斷，能夠滿足在不同工況下精確調(diào)控的需求。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒔g車的控制反應(yīng)速度提升89.4%，對提升礦用絞車的運(yùn)行平穩(wěn)性和可靠性具有十分重要的意義。

1 絞車控制裝置

礦用絞車主要作用是對井下物料和人員的運(yùn)輸，常用的功能包括制動、啟動、急停等，為了保證物料和人員運(yùn)輸?shù)陌踩?，要求絞車控制系統(tǒng)具備較好的平穩(wěn)啟動特性和減速特性，同時為了滿足在不同情況下操作便捷性的需求，絞車控制裝置還需要具備快捷的切換方式，滿足變載荷控制需求等。通過對其控制需求的分析，提出了一種新的煤礦鋼絲繩絞車控制裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 鋼絲繩絞車控制裝置示意圖

由圖1 可知，該鋼絲繩絞車控制裝置設(shè)置在絞車的底座上，包括了變頻器、操作臺、配電柜以及現(xiàn)場傳感器監(jiān)測儀。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由現(xiàn)場傳感器對絞車運(yùn)行時的速度、張緊力、溫度、電流等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絇LC 控制中心內(nèi)，由控制系統(tǒng)對絞車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析并確定參數(shù)調(diào)節(jié)量，將調(diào)整信息傳遞給變頻控制器，由變頻控制器對絞車的驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對絞車運(yùn)行狀態(tài)的靈活控制，提高絞車的運(yùn)行安全性。

由于絞車運(yùn)行時所涉及的監(jiān)測信息量大，因此為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的精確性和可靠性，減少數(shù)據(jù)傳輸時外界干擾所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真情況，系統(tǒng)采用了MODBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對絞車運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的快速傳輸，滿足了系統(tǒng)高效、精確分析的控制需求。

為了滿足控制靈活性的需求，在系統(tǒng)中設(shè)置了操作臺，能夠使控制人員根據(jù)絞車的運(yùn)行情況，直接發(fā)出調(diào)控信號，對絞車的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)“越級”控制，提高在緊急情況下的控制安全性需求。

2 PLC 控制中心

PLC 是整個礦用絞車先進(jìn)控制系統(tǒng)的“大腦”，其工作時匯集各個監(jiān)控傳感器的監(jiān)測信號，對各種信號進(jìn)行分類分析，根據(jù)分析結(jié)果確定礦用絞車接下來的控制邏輯，最終實(shí)現(xiàn)對絞車運(yùn)行狀態(tài)的靈活調(diào)整。系統(tǒng)采用了MODBUS 現(xiàn)場總線[3]系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PLC 控制中心和各個數(shù)據(jù)模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時交互，滿足礦用絞車控制精確性和可靠性的需求，PLC 控制系統(tǒng)功能原理如圖2 所示[4]。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)功能原理圖

在PLC 控制中心內(nèi)，還設(shè)置有故障顯示模塊，能夠通過對各個監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，確定絞車的運(yùn)行狀態(tài)是否在正常范圍內(nèi)，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)信息，則系統(tǒng)自動對異常數(shù)據(jù)的來源、位置進(jìn)行分析、定位，根據(jù)故障庫內(nèi)的數(shù)據(jù)匹配情況，確定系統(tǒng)故障的原因，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控中心，并發(fā)出故障預(yù)警，便于監(jiān)控人員能夠在第一時間確認(rèn)故障原因并進(jìn)行排除，確保礦用絞車運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

3 絞車變頻控制系統(tǒng)研究

該絞車控制系統(tǒng)的核心是能夠根據(jù)絞車運(yùn)行的實(shí)際情況靈活的調(diào)絞車運(yùn)行時的啟動、制動速度，為了減少在運(yùn)行過程中的啟動或者制動沖擊，系統(tǒng)采用了變頻控制模式[5]，實(shí)現(xiàn)對絞車驅(qū)動電機(jī)的控制。由于絞車的運(yùn)行條件較為復(fù)雜，因此對控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求極高，因此綜合各種因素，系統(tǒng)采用了主控PLC 和監(jiān)控PLC 的冗余監(jiān)測控制，其冗余控制原理如圖3 所示。在兩個PLC 控制系統(tǒng)中存在著一個通信鏈路，該通信鏈路采用了高速光纖數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。其中主控PLC 主要用于對變頻器的速度調(diào)整、數(shù)字量和模擬量的各類信息分析、各類數(shù)據(jù)信息的輸出等，監(jiān)控PLC 則主要用于對絞車運(yùn)行時的速度、位置等進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測的過程中還兼顧數(shù)據(jù)分析處理、故障報警等，兩個PLC 控制系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)信息共享，又實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類處理，不僅加快了數(shù)據(jù)處理速度，而且能夠有效的提升系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，當(dāng)一個PLC 系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動切換到一個PLC 控制，實(shí)現(xiàn)絞車的不停機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，從而保持在運(yùn)行中的安全性，雙冗余控制模式，能夠很好的解決傳統(tǒng)絞車控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后絞車即刻停止運(yùn)行而帶來的傷害，極大地提升了絞車在物料和人員運(yùn)輸過程中的安全性。

圖3 冗余監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)示意圖

4 變頻器調(diào)速控制方式分析

變頻器在工作時，首先將交流電經(jīng)過整流后變成直流電，然后通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為電流和電壓均可以調(diào)節(jié)的交流電，其對驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)的平穩(wěn)性主要是通過控制定子的頻率來實(shí)現(xiàn)的，目前主要有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制兩種模式。

矢量控制能夠在調(diào)速范圍上和絞車電機(jī)完美匹配，而且能夠直接控制絞車電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，但控制回路相對復(fù)雜而且成本極高。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，在調(diào)控過程中不會受到電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行負(fù)載的影響，因此控制過程的超調(diào)量較小而且響應(yīng)時間迅速，控制經(jīng)濟(jì)性較好。結(jié)合絞車電機(jī)的運(yùn)行控制要求，最終確定采用直接轉(zhuǎn)矩控制的模式對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。

目前該煤礦鋼絲繩絞車控制裝置已經(jīng)在多個煤礦投入應(yīng)用，根據(jù)對其應(yīng)用情況分析，該系統(tǒng)能夠?qū)⒔g車控制反應(yīng)時間由最初的18.4 s 降低到目前的1.95 s，反應(yīng)速度比優(yōu)化前提升了89.4%，對提升礦用絞車的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

1）采用MODBUS 現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)對絞車運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的快速傳輸；

2）雙冗余控制模式，解決了傳統(tǒng)絞車控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后絞車立即停止運(yùn)行而帶來的傷害，極大地提升了絞車在物料和人員運(yùn)輸過程中的安全性。

3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒔g車的控制反應(yīng)速度提升89.4%，對提升礦用絞車的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性具有十分重要的意義。