薛敬宇

（山西大同永定庄煤业公司， 山西 大同 037024）

引言

煤矿作为我国能源结构体系中的重要构成部分，为我国社会经济发展作出了非常重要的贡献[1]。煤矿开采过程中，调度绞车作为重要的辅助设备，有着不可替代的作用。调度绞车在实践运行过程中，需要充分结合具体工况对其运行速度进行调节[2-3]。传统的速度调节方式是串联电阻，这种方式存在能耗高、速度调节过程不顺滑等缺陷[4-5]。因此针对调度绞车设计研究能耗更低、速度调节更加顺滑的自动控制系统显得尤为重要[6]。

1 矿用JD-25 型调度绞车概述

在矿井中，JD-25 型调度绞车的作用主要表现在两个方面，其一是作为调度矿车，其二是作为辅助牵引设备。由于该型号调度绞车配备有防爆电气设备，因此完全可以适应井下瓦斯和煤尘工作环境，但瓦斯浓度和煤尘含量不得超过相关规范标准。调度绞车属于复杂的机电系统，整个机构内部包含有很多机械或者电气结构，其中最重要的包括电机、刹车装置、卷筒装置、防护罩以及底座等。电机通过法兰盘安装在左支架上，其输出的动力通过两级行星齿轮机构进行传输，主轴通过轴承架设在左右支架中，并贯穿整个卷筒。矿用JD-25 型调度绞车的主要技术参数包括：整体重量为1 500 kg 左右，外形规格尺寸为1.35 m×1.14 m×1.19 m；外层钢丝绳的最大静张力及其运行速度分别可以达到20 kN 和1.2 m/s；可以容纳的钢丝绳长度为400 m，钢丝绳直径为16 mm；卷筒直径和长度分别为300 mm 和356 mm；使用的电机型号为YBJ25-4，该型号电机的额定功率和电压分别为25 kW 和380 V，正常情况下的输出转速为1 470 r/min。

2 自动控制系统的整体框架及工作原理

调度绞车在正常工作中，需要根据实际情况对运行速度进行实时调整。对于整个调度绞车装置结构而言，提升装置和刹车装置是最重要的机械结构之一，通过这些装置可以控制调度绞车运行速度。在传统的控制系统中，是通过串联电阻的方式对运行速度进行调整，这种速度调整方式势必会造成大量的电能浪费，与当前阶段的节能减排大趋势相悖而行。目前变频技术已经非常成熟，在很多领域得到了广泛的应用，可以将变频技术应用到JD-25 型调度绞车中，实现对电机运转速度的有效调节与控制，节省电能。

本文基于变频调速技术对JD-25 型调度绞车自动控制系统进行设计研究，如下页图1 所示为调度绞车自动控制系统整体框架。系统利用压力传感器和转速传感器，可以分别对调度绞车的钢丝绳牵引力大小和卷筒转动速度进行实时监控，但传感器监测得到的数据属于模拟量信号，需要利用A/D 转换器将其转换成为数字量信号，然后将数据信息传输到PLC 控制系统中。PLC 控制器可以将传感器检测结果与系统设定的结果进行对比分析，分析结果通过触摸屏进行展示，工作人员通过该屏幕可以实时掌握调度绞车的运行情况。基于分析判断结果，控制器下达报警或者控制指令。如果调度绞车钢丝绳牵引力或者卷筒转速存在异常，系统会立即向外发出警告以提示工作人员立即进行处理。如果钢丝绳牵引力或者卷筒转速在正常范围内，但是需要调整以满足实际工况需要，系统则会下达指令，并通过通信装置传输至变频器中，变频器根据控制指令调整输出电压的频率。交流电动机的输出转速满足公式n=60f/p，式中n 表示输出转速，f 表示输入电压频率，p 表示电动机极对数，为固定值。从上式中可以看出，交流电动机的输入电压频率不同时，其输出转速也会存在差异。

图1 调度绞车自动控制系统整体框架

系统除可自动对调度绞车运行状态及故障问题进行分析外，还可以通过人工方式向系统中输入调度绞车的运行状态及故障现象。控制系统可以基于输入信息下达对应的报警信号或者控制指令。基于上述工作过程和原理，设计的矿用JD-25 型调度绞车自动控制系统可以对绞车的运行速度进行有效调整。不仅能够显著降低设备在运行过程中的电能消耗，另外，在设备启动和制动阶段，可以根据实际需要调节绞车的启动和制动速度，实现“软启动”和“软制动”，避免设备“硬启动”和“硬制动”过程中造成的设备冲击现象，提升设备使用寿命。

3 自动控制系统的软硬件设计

3.1 系统硬件部分介绍

调度绞车自动控制系统涉及到的硬件种类较多，受篇幅限制，以下主要对比较关键的PLC 控制器、变频器、传感器进行介绍。

3.1.1 PLC 控制器的选型

PLC 控制器是整个自动控制系统的控制枢纽，其重要性是不言而喻的。控制器的性能好坏会对整个系统的运行性能产生决定性的影响。本系统使用的PLC 控制器为西门子公司设计研发制造的S7-1200 型号，该型号控制器在工程实践中应用广泛，并取得了良好的应用效果，性能较为稳定，完全能够满足本系统的实际使用需要。S7-1200 型PLC控制器具有非常强的可扩展性，方便系统后续的升级改造。

3.1.2 变频器的选型

变频器的作用是对输出的电压频率进行控制，进而实现交流电动机输入电压频率的调整，最终控制交流电动机的速度转速。变频器的输入电压频率为50 Hz 保持不变，但其输出频率可以根据PLC 控制器的指令在一定范围内进行调整。本系统使用的变频器型号为SB61G-75，该型号变频器具有防爆功能，可以安全地在瓦斯和煤尘环境下工作。变频器内部同时包含有控制电路和主电路两个电路，在这两个电路的综合作用下，可以实现输出电压频率的有效控制。与传统的通过串联电阻进行速度调整相比较而言，基于变频调速控制技术的速度调节过程更加顺滑。不仅确保了速度调整过程的稳定性，同时能够在一定程度上提升调度绞车零部件的使用寿命。

3.1.3 传感器的选型

控制系统主要使用了压力传感器和转速传感器，具体型号分别为GPD60 型和GSG1000 型。此两类型号传感器均为矿用本质安全型传感器，可以适应矿井工作环境，保证运行过程安全。

3.2 软件程序分析与设计

设计的矿用JD-25 型调度绞车自动控制系统软件部分被划分成为两大类型，分别为主程序和主程序。主程序的作用是根据实际需要对各子程序进行合理调用，利用子程序来实现控制系统的各项功能。比如，系统如果检测发现调度绞车存在故障问题，就会启用中断子程序，停止调度绞车的运行。

如图2 所示为设计的软件程序基本流程示意图。系统启动后首先对各参数进行初始化处理，然后对系统各参数进行自动检查，目的在于确认系统各硬件和参数是否正常。自动检查过程中如果发现存在的故障问题，则会向外发出声光警报，并对故障进行及时处理。如果检查一切正常，就会启动调度绞车开始运行。一旦调度绞车开始运行，自动控制系统会利用压力传感器和转速传感器对绞车的运行状态进行实时检测，基于检测结果分析判断调度绞车是否存在超速、松绳、过卷等问题。如果存在相关问题，控制系统会下达指令，调用对应的子程序，对问题进行处理使之回归到正常状态。整个检测与调整过程不断循环，直至调度绞车停止运行。

4 自动控制系统的应用效果分析

图2 软件程序流程示意图

将设计的自动控制系统应用到矿用JD-25 型调度绞车中，经过现场调试后连续运行6 个月，状态良好。系统应用变频调速技术对电机速度进行实时有效控制，为煤矿企业节省了大量的电能。对变频调速技术使用前后的能耗情况进行统计，结果表明变频调速技术的使用可以节省30%以上的电能消耗。变频技术的使用还可以实现调度绞车的“软启动”和“软制动”，有效缓解设备的冲击，尤其是钢丝绳。经过初步估算，钢丝绳的使用寿命可以延长2 倍以上。最后，自动控制系统的运用有效提升了调度绞车运行过程的安全性和稳定性，降低了设备出现故障的概率，确保了矿井进行安全。

5 结论

1）自动控制系统中利用变频调速技术实现调度绞车电动机转速的有效控制，克服了传统速度控制方式的缺陷，可以节省电能，实现调度绞车的“软启动”和“软制动”，延长设备的使用寿命。

2）系统中使用的核心硬件设备全部具有防爆功能，完全能够适应矿井复杂的工作环境，保证设备运行安全。软件程序分为主程序子程序，主程序可以根据实际需要合理调用子程序，从而实现各项功能。

3）系统经过连续6 个月的运行，表现出了良好的应用效果。为煤矿企业节省了30%以上的电能，显著提升了零部件的使用寿命，为煤矿安全稳定运行奠定了坚实的基础。