郭鹏飞

（西山煤电集团有限责任公司马兰矿，山西 太原 030053）

引言

矿用绞车是煤矿运输系统的重要组成部分，担负矿井的物料和人员运输任务，其性能直接影响煤矿生产效率以及安全生产。矿用绞车使用过程中的调速性能是其稳定运行的关键，传统矿用绞车调速控制多采用转子串、切电阻调速方式，缺点为调速不平滑、稳定性差。针对该问题，国内外煤矿科研机构以及企业做了大量的研究工作。文章以矿用绞车为研究对象，将控制器技术与变频器相结合，实现矿用绞车的智能控制，提高矿用绞车控制系统的运行精度，提高运行的可靠性，增强运行的安全性。

1 控制系统工作原理

煤矿用绞车控制系统工作原理如图1 所示，交流1 140 V 高压电源经电源转换后为低压配电柜供电，并由低压配电柜为控制系统内的其他用电设备供电，如变频器、操作台、显示器、传感器等，电压等级为DC24 V、DC12 V 以及DC5 V。在矿用绞车车身布置有行程开关、压力传感器、温度传感器等现场传感器以及检测仪表，实时记录并传送绞车运行状态信息。矿用绞车异步变频电动机配置有旋转编码器，实时向控制系统反馈绞车实际转速。矿用绞车工作时，有操作台给出运行、停止、正转和反转等指令，经控制系统解析并分析现场传感器设计及检测仪表反馈的数据后，以Modbus 通信模式控制变频器按照指定模式运行。变频器驱动绞车异步电动机的运行模式可为转速模式，也可为转矩模式。控制系统通过设置给定转矩、母线电流限制及最高转速限制等参数实现对绞车异步电动机的变频控制。变频器可将异步绞车异步电动机的实际转速、IGBT 温度、电机温度等值反馈给控制系统，并参与逻辑控制。为保证对矿用绞车操作的稳定性和实时性，控制系统与操作台之间以Modbus通信模式完成数据和控制指令的传输。

图1 煤矿绞车控制系统工作原理图

2 硬件设计

矿用绞车控制系统用到的硬件设备包括变频器、控制器、行程开关、温度传感器、压力传感器和旋转编码器等。根据矿用绞车控制系统工作原理和总体设计方案对上述硬件进行选型。矿用绞车控制系统采用直接转矩控制方案，为恒转矩负载，输出功率如下：P=Tn/9 550 . （1）式中：P 为绞车异步电动机功率，kW；T 为绞车异步电动机的额定转矩，N·m；n 为绞车异步电动机的额定转速，r/min。

矿用绞车启动过程时启动电流较大，选用的变频器容量为绞车异步电动机容量的1.1～1.5 倍，本文研究的矿用绞车异步电动机的额定输出功率为37 kW，因此选用三菱的FR-F440-45K-CHT 型变频器，其额定输出功率为45 kW。该变频器的启动转矩较大，具备自调谐功能，能够提高矿用绞车异步电动机的电机效率。该变频器支持CAN、CanOpen、Modbus 等多种通信模式，支持PID 控制，能够保证矿用绞车平稳调速，避免急剧加减速。PLC 控制器选用三菱公司的FU3U-64MR，该控制器具有抗干扰能力强、维护容易、使用简单、安装方便的特点。该控制器可通过PID指令实现传感器数据的闭环控制，支持浮点运算、三角函数等数学指令集；能够方便地扩展模块，响应速度快，数据存储空间大。

行程开关选用正泰的YBLX-ME-810 型，该行程开关是一种小电流主令电器，通过控制电路接通、断开达到限制绞车机械运动的目的。绞车自动控制系统中用到的行程开关为10 个，分别指示绞车上深度、下深度、中间深度、上过卷、下过卷等。温度传感器选用的型号为CWDZ11，为插入式结构，采用Pt100 将温度信号转换为电压信号并输出至PLC 控制器。压力传感器选用的型号为DATA-52，该传感器的量程为0～1 MPa，可将检测到的压力值转换为4～20 mA 电流信号并通过RS485 通信模式传送给PLC 控制器。旋转编码器选用的是欧姆龙的E6B2-C，最大分辨率为2 000 P/r，PLC 控制器实时采集该旋转编码器信号并对异步电动机进行变频控制。矿用绞车控制系统配置有操作台，在操作台上集成了矿用绞车的控制按钮，如分闸/合闸、润滑泵启停、制动泵启停、启动允许、急停、复位、上过卷/正常/下过卷、速度控制、手动/自动运行模式等按钮。PLC 控制器与操作台以物理模式进行连接，当操作台上的按钮有效后将信号传送至PLC 控制器。PLC 控制器响应并完成操作台对矿用绞车的控制。在操作台上还配置有12 寸的液晶显示器，用于显示矿用绞车的运行状态以及故障信息。

3 软件设计

根据煤矿用绞车控制系统工作原理以及硬件接线原理，基于三菱公司公开发的GXWork2 编程软件平台 进行软件程序设计，采用StructuredProject 编程方式实现。根据矿用绞车控制系统实现的功能，在进行软件设计时划分为初始化模块、软安全回路模块、变频控制模块、液压控制模块、速度测量模块以及通信模块六部分。初始化模块完成异步电动机传动减速比、钢丝绳系数、钢丝直径值参数的设置和初始化，还需完成A/D 模块的初始化。软安全回路模块用于监测是否存在变频器故障、绞车超速故障、钢丝绳断开故障、油压过压故障、行程开关故障、传感器故障等，只要检测到故障发生，软安全回路立即断开并触发声光语音报警。变频控制模块用于完成对绞车异步电动机的变频控制，如启动、正转、反转、加速、减速等。液压控制模块用于对润滑泵和制动泵进行控制，如启停、抱闸、加入润滑剂等。速度测量模块用于完成对绞车异步电动机实际运行转速的检测和测量，通过获取并解析E6B2-C 旋转编码器的脉冲输出次数精确获取绞车运行速度。通信模块用于建立并维护控制器与变频器、控制器与操作台之间的Modbus 通信连接，保证系统通信的稳定性和连续性。矿用绞车控制系统软件详细流程如图2 所示，当控制系统完成系统初始化、接通软安全回路、获取提升信号、行车方向且液压站油压正常时，启动电动机并松闸。当矿用绞车运行速度达到给定值后恒速运行；当实际运行速度超过给定值的15%时，延时200 ms 后抱闸。当矿用绞车运行至减速点时自动减速，运行速度降至给定值后达到终点停车；当矿用绞车运行速度为降至给定值且超过给定的10%，延时200 ms 后抱闸。

图2 煤矿绞车控制系统软件流程图

4 结语

为提升矿用绞车的运行可靠性，基于矿用绞车工作原理，采用三菱FU3U-64MR 控制器以及三菱FR-F440-45K-CHT 型变频器为核心，对矿用绞车的控制系统进行优化改造；经技改后的绞车控制试验运行效果良好，控制系统运行稳定、可靠，实现了绞车平滑调速、稳定、安全运行，大幅提升了煤矿运输效率。