煤礦機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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礦井提升機(jī)主要用于地面物料的下放、井下煤料的提升、人員的運(yùn)送，在地面與井下頻繁、高速的往復(fù)運(yùn)行，需要頻繁的啟動(dòng)、停止、調(diào)速、制動(dòng)。為保證煤礦提升機(jī)的安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，防止事故發(fā)生，對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)逐漸向提升工藝過程微機(jī)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(jī)以交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，繼電器+接觸器構(gòu)成控制系統(tǒng)邏輯控制裝置，以電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組供電。該礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是調(diào)速性能差、控制精度低、保護(hù)和故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善、可靠性不高、后期的維護(hù)成本大。改進(jìn)后的礦井提升機(jī)采用晶閘管裝置，以動(dòng)力制動(dòng)、低頻拖動(dòng)模式完成調(diào)速、停車。該礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是調(diào)速精度低、維護(hù)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(jī)以PLC控制器為核心，利用變頻技術(shù)、智能儀表技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)四象限運(yùn)行，速度控制精確、可靠，可通過HMI人機(jī)界面直觀監(jiān)測(cè)礦井提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行行程，有較完備的故障監(jiān)測(cè)及顯示系統(tǒng)。礦井提升機(jī)的主要?jiǎng)幼饔姓蛱嵘?、正向下放、反向提升、反向下放四個(gè)，即往復(fù)運(yùn)動(dòng)。以PLC控制器+變頻器的模式，對(duì)礦井提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，達(dá)到平滑調(diào)速、提高調(diào)速精度。

1總體設(shè)計(jì)方案

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案見圖1所示，由操作臺(tái)、信號(hào)處理系統(tǒng)、PLC控制單元、電動(dòng)機(jī)單元、液壓站單元以及提升裝置六部分組成。操作臺(tái)是控制礦井提升機(jī)的命令發(fā)出者，位于操作臺(tái)內(nèi)的提升機(jī)司機(jī)通過控制手柄，對(duì)PLC控制器單元發(fā)出命令。在操作臺(tái)內(nèi)部還安裝有角位移傳感器、顯示儀等設(shè)備。信號(hào)處理系統(tǒng)主要完成對(duì)控制指令的診斷、濾波，保證控制指令的可靠性。電動(dòng)機(jī)單元包括編碼器、主電機(jī)以及減速器三部分，是礦井提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，編碼器用于反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，PLC控制器可根據(jù)該參數(shù)對(duì)變頻器進(jìn)行變頻控制。提升裝置包括滾筒、罐籠等，是礦井提升機(jī)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(hào)處理系統(tǒng)診斷、濾波后的操作臺(tái)指令，以CAN通信方式對(duì)變頻器進(jìn)行控制，以轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩模式驅(qū)動(dòng)主電機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、調(diào)速等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的過流、過壓、過載等保護(hù)。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(chǔ)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(jìn)行輸出。交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)差率與極對(duì)數(shù)恒定，由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，改變ƒ即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(biāo)系下直接對(duì)電動(dòng)機(jī)建模，對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，避免了矢量控制模式存在的計(jì)算量大、分解磁場(chǎng)困難等問題。

3硬件設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)核心硬件為PLC控制器及其擴(kuò)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(jì)系統(tǒng)需要控制的開關(guān)量、模擬量，確定需要擴(kuò)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(dòng)同步或異步電動(dòng)機(jī)，主要由電源側(cè)功率部件、電源模塊、元以及可補(bǔ)充的系統(tǒng)組件組成，具備搬運(yùn)輕便、安裝布線簡單、符合EMC要求、內(nèi)部風(fēng)冷等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)

礦井提升機(jī)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(tái)指令，對(duì)變頻器進(jìn)行加速、減速、恒速控制，從而控制提升機(jī)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(dòng)，如果有啟動(dòng)故障，則進(jìn)行報(bào)警、故障處理以及故障復(fù)位。啟動(dòng)液壓潤滑裝置，啟動(dòng)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(tái)指令，對(duì)指令進(jìn)行分析后，控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而達(dá)到對(duì)礦井提升機(jī)的調(diào)速功能。操作臺(tái)發(fā)送給PLC控制其的指令主要有提升機(jī)啟動(dòng)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(jìn)行解析，按照PLC控制器指令控制輸出頻率。

5結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)正在某礦進(jìn)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(duì)礦井提升機(jī)進(jìn)行整體控制，控制指令以CAN通信模式進(jìn)行傳輸，減少了繁瑣的接線工作，對(duì)后期設(shè)備的維護(hù)也大有裨益。該變頻控制方案提升了礦井提升機(jī)的安全性，保證其連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

作者：王俊青 單位：陽煤集團(tuán)機(jī)電動(dòng)力部