明 澍

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司西山煤電礦業(yè)公司， 山西 太原 030000）

0 引言

提升機(jī)是煤礦實(shí)現(xiàn)綜采工作面和地面的關(guān)鍵設(shè)備，其提升效率、運(yùn)輸安全性和可靠性對(duì)煤礦生產(chǎn)尤為重要。提升機(jī)傳統(tǒng)主要采用轉(zhuǎn)子串電子調(diào)速的方式對(duì)其進(jìn)行控制，在實(shí)際應(yīng)用中該種控制方式主要表現(xiàn)為調(diào)速曲線不平滑、提升機(jī)停車定位不準(zhǔn)確等問題，對(duì)運(yùn)輸效率和提升安全性造成了極大的影響。變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的無級(jí)調(diào)速；同時(shí)，變頻調(diào)速還可根據(jù)工況對(duì)提升速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整控制，達(dá)到節(jié)能的目的[1]。鑒于此，將基于PLC 實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的變頻調(diào)速控制，并對(duì)調(diào)速控制效果進(jìn)行仿真分析。

1 提升機(jī)概述

針對(duì)運(yùn)輸對(duì)象的不同，煤礦生產(chǎn)中的提升機(jī)分為主井提升系統(tǒng)和副井提升系統(tǒng)。其中，主井提升系統(tǒng)主要用于對(duì)煤炭進(jìn)行運(yùn)輸；副井提升系統(tǒng)主要用于對(duì)人員和物料的運(yùn)輸。總的來講，提升系統(tǒng)主要包括有拖動(dòng)系統(tǒng)、提升容器、鋼絲繩、天輪以及裝載設(shè)備等，提升系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 提升系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)實(shí)際提升運(yùn)輸工況，提升機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升容器的加速、減速、勻速、爬行以及制動(dòng)停車等六種控制狀態(tài)。對(duì)于提升機(jī)控制系統(tǒng)而言，旨在保證提升機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際工況對(duì)將設(shè)備控制在最佳、最合理的運(yùn)行狀態(tài)，核心是保證設(shè)備的運(yùn)輸效率和安全性可靠性。提升機(jī)控制系統(tǒng)需滿足如下要求。

1.1 實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)速度的精準(zhǔn)控制

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，為保證提升的安全，針對(duì)不同的提升對(duì)象其對(duì)應(yīng)的提升加速度、減速度需合理。當(dāng)提升人員時(shí)，加速度和減速度不得大于0.75 m2/s；當(dāng)提升物料時(shí)，加速度和減速度不得大于1.2 m2/s。

1.2 實(shí)時(shí)顯示功能

基于提升機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備的提升速度、運(yùn)行方向以及實(shí)時(shí)位置進(jìn)行顯示，確保操作人員可直觀掌握提升機(jī)的工作狀態(tài)[2]。

1.3 高靈敏度的制動(dòng)系統(tǒng)

要求提升機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的穩(wěn)定制動(dòng)停車；且在遇到突發(fā)情況時(shí)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的緊急停車[3]。

2 基于PLC 提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)將結(jié)合提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)功能需求和要求，完成其關(guān)鍵硬件的選型和設(shè)計(jì)。

2.1 變頻器的選型

變頻器是實(shí)現(xiàn)提升機(jī)根據(jù)工況對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)速的關(guān)鍵器件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)提升速度的無級(jí)調(diào)速。變頻器主要包括有輔助控制單元、進(jìn)線單元、濾波單元以及供電單元等。變頻器選型的主要依據(jù)為與其配套電機(jī)的參數(shù)。

本文所研究提升機(jī)所配套電機(jī)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 提升機(jī)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

變頻器的功率為電機(jī)功率的1.1 倍，即變頻器功率為280 kW×1.1=308 kW，圓整為310 kW；變頻器電流為電機(jī)額定電流的1.5 倍，即變頻額定電流為35.2 A×1.5=52.8 A。綜合上述功率和電流的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，最終確定選用變頻器的具體型號(hào)為71 系列變頻器。

2.2 PLC 控制器的選型

PLC 為實(shí)現(xiàn)變頻器調(diào)速的核心，在實(shí)際應(yīng)用中PLC 將結(jié)合所采集到的提升機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)并在相應(yīng)控制策略的基礎(chǔ)上得出針對(duì)性的控制策略[4]。因此，PLC 控制器選型時(shí)需根據(jù)其輸入、輸出的需求配套相應(yīng)的輸入/輸出模塊型號(hào)及數(shù)量；根據(jù)數(shù)據(jù)處理量確定配套的CPU 型號(hào)及數(shù)量。

結(jié)合提升機(jī)變頻調(diào)速的控制需求，CPU 輸入點(diǎn)包括電機(jī)軸編碼信號(hào)、下過卷復(fù)位開關(guān)等9 個(gè)；安全回路模塊輸入點(diǎn)包括有調(diào)繩信號(hào)、閘瓦磨損信號(hào)等8個(gè)；制動(dòng)模塊輸入點(diǎn)包括制動(dòng)油壓過中繼、潤滑泵運(yùn)行反饋信號(hào)等13 個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)包括制動(dòng)角位移信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)等8 個(gè)；其他輸入點(diǎn)包括提升重物、松繩開關(guān)、故障復(fù)位信號(hào)等24 個(gè)；CPU 輸出點(diǎn)包括等速段超速指示、深指失效指示燈信號(hào)9 個(gè)；其他輸出點(diǎn)包括有語音報(bào)警、減速點(diǎn)打鈴、制動(dòng)泵控制輸出信號(hào)等25 個(gè)。

如表2 所示為S7-300 系列PLC 控制器所配套的相關(guān)模塊型號(hào)及數(shù)量。

表2 S7-300 系列PLC 配套模塊型號(hào)及數(shù)量

2.3 變頻調(diào)速控制策略設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)高靈敏、高精度和高響應(yīng)速度的控制，本文所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制采用三閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括有對(duì)提升機(jī)位置、速度以及電機(jī)力矩的控制，控制框圖如圖2 所示。

圖2 三閉環(huán)變頻調(diào)速控制

如圖2 中的位置控制器主要對(duì)提升容器的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升容器的精準(zhǔn)停車；同時(shí)，位置控制器的輸出結(jié)構(gòu)可作為速度控制器的輸入[5]。速度控制器主要是對(duì)速度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時(shí)速度控制器的輸入可作為力矩控制的輸入。力矩控制主要是提升機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

該提升機(jī)變頻調(diào)速控制采用模糊PID 控制策略實(shí)現(xiàn)上述的三閉環(huán)變頻調(diào)速控制。基于模糊PID 控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制。根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行工況和控制需求，對(duì)模糊PID 控制器的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)中的系數(shù)進(jìn)行確定?；赟imulink 建立的模糊PID 控制模型如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器仿真模型

經(jīng)仿真分析，基于模糊PID 控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)、低超調(diào)量的控制。模糊PID 控制器和PID 控制器控制效果對(duì)比如表3 所示。

表3 模糊PID 控制器和常規(guī)PID 控制器控制效果對(duì)比

如表3 所示，采用模糊PID 控制器對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的超調(diào)量可忽略不計(jì)；且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間遠(yuǎn)小于常規(guī)PID 控制器。同時(shí)，在整個(gè)控制過程中基于模糊PID 控制器并未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

3 結(jié)語

提升機(jī)承擔(dān)著地面與井下的原煤、人員、物料以及設(shè)備的運(yùn)輸任務(wù)，但是，提升機(jī)傳動(dòng)串子電阻調(diào)速控制系統(tǒng)屬于有級(jí)調(diào)速，無法對(duì)提升容器進(jìn)行精準(zhǔn)定位并停車。為此，本文基于變頻器和PLC 控制器為核心設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并結(jié)合提升機(jī)的調(diào)速控制要求和需求，確定采用基于模糊PID 控制的三閉環(huán)變頻調(diào)速控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的低超調(diào)量、快速響應(yīng)的控制效果。