井下絞車智能控制系統(tǒng)研究

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摘要：針對煤礦井下絞車調(diào)速控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏度低、可靠性差，嚴(yán)重影響絞車井下運(yùn)行安全的現(xiàn)狀，提出了一種新的井下絞車智能控制系統(tǒng)，通過采用車速及泄漏打點(diǎn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)對梭車在不同運(yùn)行狀態(tài)下的靈活調(diào)整，不僅顯著降低了絞車運(yùn)行時(shí)的功耗，還將絞車反應(yīng)速度提升了83.7%以上，有效提升了絞車運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：絞車；智能控制；閉環(huán)反饋

無極繩絞車是一種被廣泛應(yīng)用在煤礦井下的重載運(yùn)輸設(shè)備，具有載重量大、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，主要用于對液壓支架、采煤機(jī)等大型設(shè)備的整體式轉(zhuǎn)運(yùn)。由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，無極繩絞車在實(shí)際使用過程中需要根據(jù)井下物料運(yùn)輸需求和地質(zhì)條件的不同來靈活調(diào)整轉(zhuǎn)運(yùn)速度和狀態(tài)。目前的無極繩絞車控制系統(tǒng)多采用二象限變頻器驅(qū)動控制，不僅控制靈敏度不高，而且控制可靠性差，難以滿足井下復(fù)雜地質(zhì)條件下的牽引控制要求。結(jié)合井下牽引控制的實(shí)際需求，本文提出了一種新的井下絞車智能控制系統(tǒng)，以四象限變頻控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了對無極繩絞車運(yùn)行過程的狀態(tài)監(jiān)測、故障報(bào)警，同時(shí)通過采用車速及泄漏打點(diǎn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)對梭車在不同運(yùn)行狀態(tài)下的靈活調(diào)整。實(shí)際應(yīng)用表明，新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒔g車工作時(shí)的功耗降低27.6%以上，將絞車調(diào)速的反應(yīng)速度提升83.7%以上，顯著提升了絞車工作時(shí)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。鑒于此，新的井下絞車智能控制系統(tǒng)目前已經(jīng)在多個(gè)煤礦得到了推廣應(yīng)用。

1絞車智能控制系統(tǒng)

以SQ-120/132P無極繩絞車為例，其主要由張緊裝置、換向裝置、絞車及控制系統(tǒng)構(gòu)成。在工作過程中，絞車通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)鋼絲繩的線速度，鋼絲繩牽引梭車運(yùn)行，并通過梭車碰頭來帶動串車運(yùn)輸物料。由于串車運(yùn)行時(shí)的負(fù)載狀態(tài)不同、運(yùn)輸路況不同、牽引受力方向不同，要求絞車能夠進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、無級調(diào)速，同時(shí)系統(tǒng)能夠根據(jù)絞車的運(yùn)行狀態(tài)自動選擇合適的運(yùn)行方式，以滿足智能運(yùn)行控制要求。結(jié)合無極絞車的實(shí)際使用需求，本文所提出的絞車智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。由圖1可知，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，作業(yè)人員根據(jù)串車上的負(fù)載狀態(tài)，分別設(shè)定空載、輕載和重載的接入信號，同時(shí)通過泄漏通信/打點(diǎn)來確認(rèn)對應(yīng)的串車已經(jīng)連接進(jìn)牽引系統(tǒng)，系統(tǒng)控制器根據(jù)設(shè)定的串車負(fù)載狀態(tài)自動選擇絞車運(yùn)行時(shí)的牽引速度等指標(biāo)輸出給絞車驅(qū)動電機(jī)。同時(shí)，為了確保對絞車運(yùn)行狀態(tài)的精確控制，在絞車運(yùn)行的不同路段提前設(shè)定該路段的參數(shù)，當(dāng)絞車運(yùn)行到該路段后接收到路段的參數(shù)信息，根據(jù)該路段參數(shù)信息對絞車驅(qū)動電機(jī)的輸出狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在確保運(yùn)行安全的情況下提升絞車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為了滿足多路段工況下控制靈活性的需求，該控制系統(tǒng)中采用了四象限變頻器，根據(jù)控制邏輯，第一象限為電機(jī)正向運(yùn)行，第三象限控制電機(jī)反向運(yùn)行，第二象限控制電機(jī)正向回饋制動，第四象限則控制電機(jī)進(jìn)行反向回饋制動。當(dāng)串車處于重載狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎或者經(jīng)過變坡的路徑時(shí)，可采用恒壓變頻比輸出模式來控制串車的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)控制器控制變頻器在第一和第三象限工作即可。當(dāng)串車處于輕載或者空載狀態(tài)時(shí)，為了提升絞車的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性，可以采用恒功率控制輸出的模式控制串車運(yùn)行，此時(shí)控制器控制變頻器依然在第一和第三象限內(nèi)工作。當(dāng)串車需要停車或者減速運(yùn)行時(shí)，要根據(jù)牽引方向來控制變頻器的工作象限，若是正方向牽引，則在第二象限工作，使串車制動時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能存儲到電網(wǎng)內(nèi)，若是反向牽引，則在第四象限內(nèi)工作[2]。

2變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，要求該變頻控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)要具有高可靠性，同時(shí)還要滿足數(shù)據(jù)處理快速性和安全性的要求。該變頻控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括PLC控制中心、泄漏通信/打點(diǎn)、變頻器、驅(qū)動電機(jī)模塊等，具體如圖2所示[3]。由圖2可知，該控制系統(tǒng)中各個(gè)硬件單元之間通過以太網(wǎng)相互連接，數(shù)據(jù)通信以RS-485通信協(xié)議為準(zhǔn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析后能夠?qū)⒔g車的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等顯示在觸摸屏上；PLC控制中心作為現(xiàn)場主控制器，通過對串車負(fù)載情況和路況的分析，精確地選擇最佳的運(yùn)行控制邏輯，并發(fā)出調(diào)整控制指令。在系統(tǒng)中加入了數(shù)字量模塊，能夠?qū)g車的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行篩選和判斷，若相關(guān)參數(shù)超出了系統(tǒng)設(shè)定的正常值，則發(fā)出語音報(bào)警信號，以便技術(shù)人員及時(shí)處理，防止在牽引過程中發(fā)生安全事故。

3變頻控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

無極絞車在運(yùn)行過程中不僅需要確保井下的運(yùn)輸安全，還需要確保能夠以最經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)行。因此，結(jié)合實(shí)際情況，以保障運(yùn)輸安全為基礎(chǔ)，以提升運(yùn)輸效率和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性為核心，提出了一種新的變頻控制邏輯，其結(jié)構(gòu)如圖3所示由圖3可知，變頻控制邏輯是以PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)控指令為基礎(chǔ)，若系統(tǒng)輸出的指令為模式1，則控制絞車驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，控制電機(jī)處于第一或者第三象限運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動串車運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)輸出的指令為模式0時(shí)，控制電機(jī)處于第二或者第四象限運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，降低工作時(shí)的能耗，提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)在相同的外界條件下能夠?qū)㈦娔芟慕档?7.6%以上，顯著提升了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，系統(tǒng)的邏輯控制采用了并行控制模式，系統(tǒng)分析出結(jié)果后能直接控制變頻器調(diào)整，因此有效提升了絞車運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)速度。經(jīng)過對比，優(yōu)化前后絞車的反應(yīng)速度由最初的2.8s降低到了目前的0.46s，反應(yīng)速度提升了83.7%，極大地提升了絞車運(yùn)行的靈敏性和安全性。

4結(jié)語

針對煤礦井下絞車調(diào)速控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏度低、可靠性差，嚴(yán)重影響絞車井下運(yùn)行安全的現(xiàn)狀，提出了一種新的井下絞車智能控制系統(tǒng)，對其整體結(jié)構(gòu)和軟硬件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：a)絞車智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)絞車的運(yùn)行狀態(tài)自動選擇合適的運(yùn)行方式，滿足不同運(yùn)行條件下控制靈活性和安全性的需求；b)變頻控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括了PLC控制中心、泄漏通信/打點(diǎn)、變頻器、驅(qū)動電機(jī)模塊等，具有高可靠性和高靈敏性c)智能控制系統(tǒng)的邏輯控制采用了并行控制模式，系統(tǒng)分析出結(jié)果后能直接控制變頻器調(diào)整，能夠有效提升運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)速度；d)新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒔g車工作時(shí)的功耗降低27.6%以上，將絞車的反應(yīng)速度提升83.7%以上，顯著提升了絞車工作時(shí)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

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作者：蔡俊川 單位：山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司