煤礦機變頻控制系統(tǒng)設(shè)計研究

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礦井提升機主要用于地面物料的下放、井下煤料的提升、人員的運送，在地面與井下頻繁、高速的往復(fù)運行，需要頻繁的啟動、停止、調(diào)速、制動。為保證煤礦提升機的安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行，防止事故發(fā)生，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。礦井提升機控制系統(tǒng)逐漸向提升工藝過程微機控制、提升行程控制、提升過程監(jiān)視、安全回路以及完善故障監(jiān)視系統(tǒng)方向發(fā)展。早期國內(nèi)礦井提升機以交流異步電動機拖動，繼電器+接觸器構(gòu)成控制系統(tǒng)邏輯控制裝置，以電動機-發(fā)電機組供電。該礦井提升機控制系統(tǒng)的缺點是調(diào)速性能差、控制精度低、保護和故障監(jiān)測系統(tǒng)不完善、可靠性不高、后期的維護成本大。改進后的礦井提升機采用晶閘管裝置，以動力制動、低頻拖動模式完成調(diào)速、停車。該礦井提升機控制系統(tǒng)的缺點是調(diào)速精度低、維護工作量大、安全系數(shù)不高。隨著智能控制技術(shù)、電力電子技術(shù)以及變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)礦井提升機以PLC控制器為核心，利用變頻技術(shù)、智能儀表技術(shù)實現(xiàn)提升機四象限運行，速度控制精確、可靠，可通過HMI人機界面直觀監(jiān)測礦井提升機運行狀態(tài)以及運行行程，有較完備的故障監(jiān)測及顯示系統(tǒng)。礦井提升機的主要動作有正向提升、正向下放、反向提升、反向下放四個，即往復(fù)運動。以PLC控制器+變頻器的模式，對礦井提升機的運動進行控制，達到平滑調(diào)速、提高調(diào)速精度。

1總體設(shè)計方案

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案見圖1所示，由操作臺、信號處理系統(tǒng)、PLC控制單元、電動機單元、液壓站單元以及提升裝置六部分組成。操作臺是控制礦井提升機的命令發(fā)出者，位于操作臺內(nèi)的提升機司機通過控制手柄，對PLC控制器單元發(fā)出命令。在操作臺內(nèi)部還安裝有角位移傳感器、顯示儀等設(shè)備。信號處理系統(tǒng)主要完成對控制指令的診斷、濾波，保證控制指令的可靠性。電動機單元包括編碼器、主電機以及減速器三部分，是礦井提升機的驅(qū)動機構(gòu)，編碼器用于反饋電動機的實時轉(zhuǎn)速，PLC控制器可根據(jù)該參數(shù)對變頻器進行變頻控制。提升裝置包括滾筒、罐籠等，是礦井提升機的主體部分。PLC控制單元包括PLC控制器和變頻器兩部分。PLC控制器通過接收信號處理系統(tǒng)診斷、濾波后的操作臺指令，以CAN通信方式對變頻器進行控制，以轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩模式驅(qū)動主電機運行。

2變頻控制原理

變頻器主要利用電力電子器件（如IGBT）的通斷，將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的電能系統(tǒng)，實現(xiàn)對交流異步電動機的軟啟動、調(diào)速等功能，實現(xiàn)對電動機的過流、過壓、過載等保護。變頻器主要由整流單元、逆變器單元、高容量電容以及主控制器組成，將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電并存儲在高容量電容中，由逆變器將電容中的直流電轉(zhuǎn)為頻率、寬度、幅度可調(diào)的額方波。主控制器中軟件程序控制方波進行輸出。交流異步電動機轉(zhuǎn)速可表示公式（1）：其中，n為轉(zhuǎn)速，ƒ為頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為電動機極對數(shù)。對于電動機，轉(zhuǎn)差率與極對數(shù)恒定，由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，改變ƒ即可實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速。變頻器的控制模式主要有矢量控制、正弦脈沖調(diào)制控制、電壓空間矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）四種，目前較流行的為DTC控制模式，在定子坐標系下直接對電動機建模，對電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行直接控制，避免了矢量控制模式存在的計算量大、分解磁場困難等問題。

3硬件設(shè)計

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)核心硬件為PLC控制器及其擴展模塊、變頻器。根據(jù)礦井提升變頻控制系統(tǒng)控制要求，統(tǒng)計系統(tǒng)需要控制的開關(guān)量、模擬量，確定需要擴展的數(shù)字量、模擬量模塊的數(shù)量，詳見表1所示。變頻器選用西門子的S120型，該變頻器可直接驅(qū)動同步或異步電動機，主要由電源側(cè)功率部件、電源模塊、元以及可補充的系統(tǒng)組件組成，具備搬運輕便、安裝布線簡單、符合EMC要求、內(nèi)部風冷等優(yōu)點。西門子S120變頻器核心技術(shù)參數(shù)見表2所示。

4軟件設(shè)計

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)軟件流程見圖2所示，由PLC控制器通過讀取操作臺指令，對變頻器進行加速、減速、恒速控制，從而控制提升機的平滑調(diào)速。系統(tǒng)上電后，首先檢查系統(tǒng)是否正常啟動，如果有啟動故障，則進行報警、故障處理以及故障復(fù)位。啟動液壓潤滑裝置，啟動變頻器，使變頻器處于就緒狀態(tài)。PLC控制器每10ms接收一次操作臺指令，對指令進行分析后，控制變頻器的輸出頻率，進而達到對礦井提升機的調(diào)速功能。操作臺發(fā)送給PLC控制其的指令主要有提升機啟動命令I(lǐng)Mst、停止命令I(lǐng)Msp、加速命令I(lǐng)Ma、減速命令I(lǐng)Mr以及恒速命令I(lǐng)Mc。PLC控制器以CAN通信模式將數(shù)據(jù)發(fā)送給變頻器，變頻器接收到數(shù)據(jù)后進行解析，按照PLC控制器指令控制輸出頻率。

5結(jié)語

設(shè)計并實現(xiàn)的礦井提升機變頻控制系統(tǒng)正在某礦進行應(yīng)用，到目前為止，使用效果較好，調(diào)速平滑，故障發(fā)生率低、響應(yīng)速度快。該方案通過PLC控制器+變頻器模式，對礦井提升機進行整體控制，控制指令以CAN通信模式進行傳輸，減少了繁瑣的接線工作，對后期設(shè)備的維護也大有裨益。該變頻控制方案提升了礦井提升機的安全性，保證其連續(xù)、穩(wěn)定運行。

作者：王俊青 單位：陽煤集團機電動力部