秦林柱
北京百正创源科技有限公司 北京市 100081
摘要：随着煤矿领域的不断发展，对煤矿开采过程中涉及到的装备性能提出了更高的要求。以无极绳绞车为例，传统的无极绳绞车系统没有使用变频技术，导致设备在启动和停机过程中由于速度突变对自身产生很大的冲击。另外，无极绳绞车系统在遇到轨道坡度出现突然变化时，会出现颠簸问题，运行速度不稳定，严重时可能引发安全事故。变频器调速技术的应用当前已经比较成熟，可以将该项技术应用到无极绳绞车系统中，实现绞车运行速度的稳定调控，有效解决上述问题。本文对变频器调速控制技术在煤矿无极绳绞车中的应用进行研究。
关键词：变频器；无极绳绞车；速度控制；煤矿
1变频器调速控制系统的总体设计
煤矿无极绳绞车通过三相异步电动机提供动力。本系统拟通过PLC对变频器进行控制，进而实现三相异步电机的控制。如图1所示为基于变频器的调速控制系统总体结构图。图1中，FU和BK分别表示主电路熔断器和断路器，对回路起到过载保护作用，当电路出现故障问题时能对电路进行快速切断。CT表示电流传感器，对主电路中的电流进行准确检测，将检测信号转换成控制系统能够识别的数字信号。轴编码器的作用是对主电机实际转速进行实时检测，并将信号分两路进行传输，分别输送给变频器和PLC控制器。CB、SB、DB均为信号传输网络。三相异步电机电源由变频器提供，变频器输入电压为380V，能根据实际情况输出不同频率的电源供异步电机使用，以实现调速的目的。控制台是人机交互载体，操作人员可在控制台中设置系统参数，并向系统输入指令实现对系统的控制。比如控制牵引车的停止与启动、正向运行和反向运行、运行速度调整、紧急停车等。
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2变频器调速控制系统的硬件设计
2.1电路设计
稳定的电源供应是保证控制系统可靠运行的基础和前提，如下页图2所示为调速控制系统的电路设计图。
X1、X2与220V交流电进行连接，向外输出三路电路，全部设置了熔断器保护。第一，利用滤波器对电压进行过滤后为上位机进行供电，输出最大电流值为5A；第二，利用滤波器对电压进行过滤后为PLC控制器进行供电，输出最大电流值为3A；第三，利用变压器将电压降低到42V后为中间继电器供电。电路中总共设置了三个中间继电器K11、K21和K31，分别通过Q0.0、Q0.1、Q0.2接受PLC控制器的控制。K11、K21和K31的作用分别是对变频器、制动闸驱动电机继电器以及制动闸液压电磁阀的通断进行控制。
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2.2PLC控制器的设计
2.2.1PLC控制器及相关模块型号的选择
在充分考虑系统实际情况的基础上，对PLC控制器及相关模块型号的选择如下：CPU选用S7-226-AC/DC/RELAY型号，由西门子公司设计生产。具有存储量大、扩展方便等显著优势；选用EM223-18/180型直流扩展模块，选用该型号的原因在于元件内部自带有光电隔离以及滤波模块，可以对系统进行大大简化；选用EM231-AI-6×12BITS型模拟量输入模块，可将传感器采集得到的模拟量信号转换成为PLC控制器能够识别的数字量信号，并对模拟量信号和数字量信号进行过滤。
2.2.2PLC控制器的基本原理图
如图3所示为无极绳绞车变频调速控制系统的PLC控制器基本原理图。从图中可以看出，整个PLC控制的实现过程由多个模块构成，下面分别对主要模块的功能进行介绍。SHC为电动机转动速度输入模块，PLC控制器通过对该输入信号的分析判断得到电动机的转速，进而实现电机转速的控制。CSS为信号转换模块，主要将传感器检测得到的模拟量信号转换成为PLC控制器能够识别的数字量信号，输入到控制器中对检测结果进行识别判断。选用的CPU型号能够同时对6路数字量信号进行检测判断，从而实现对无极绳绞车三相交流异步电动机的无极调速、紧急制动，以及短路、过载保护控制。LTC和SCT分别表示主电路漏电、短路实验电路，通过现场人员的操作可以检测短路保护和漏电保护电路的可靠性，判断能否正常工作。SPU是信号处理电路，作用是将负载电路中所有的信号，包括电压信号、电流信号、开关量信号等按照先后顺序依次输送到PLC控制中。DCU为供电电路，主要向PLC控制器进行供电，确保整个供电过程的稳定。PST表示交流电源电路，作用是将外部供电系统提供的220V电压转换成各个模块需要的供电电压值并对各个模块进行供电。SMTC为无极绳绞车运行系统工作状态转换电路，通过该电路可以实现无极绳绞车运输系统工作状态的改变。CHD和OHD为控制信号包，可以包含很多种控制指令，比如无极绳绞车的上行和下行、异步电动机的启停、运输系统的紧急制动等控制信号。
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2.3变频器的设计
通过变频器可以实现无极绳绞车电动机的无极调速，在设备启动和停机过程中可通过变频器进行控制，使设备运行速度逐渐升高或降低，避免突然启动和停机对设备造成的冲击。无极绳绞车在运行过程中也可对其运行速度进行控制。变频器的作用就是对电路中的频率进行控制，50Hz的交流电输入到变频器后可以输出0~50Hz的交流电，将较低频率的交流电输入到交流异步电动机中实现速度的控制。本系统选用的变频器型号为BPJ-75/660（1140）。
3变频器调速控制系统的软件设计
变频调速控制系统只有硬件还无法正常工作，必须配套使用软件才能实现想要的效果。软件是变频调速控制系统的核心，是确保无极绳绞车安全稳定运行的重要保障。本系统对软件部分进行设计时采用的是模块化设计思想，即将不同的模块进行打包分开设计，每个模块可以实现某一种功能，然后通过主程序对不同的模块进行组装串联。因此，设计的软件总体结构包括1个主程序以及12个子程序，每个子程序实现一项重要的功能。软件主程序在运行过程中通过不断调用各个子程序，实现无极绳绞车运输系统速度的控制。模块化设计的优势在于整个系统的逻辑结构非常清晰，简单明了，便于日后维护。主程序运行时，需要对12个子程序进行不断的调用。控制系统启动后首先需要对整个软件系统进行自检及初始化，此时需要调用系统初始化子程序。初始化检测无误后系统正常启动，各传感器开始正常工作，对系统运行过程中的各项运行状态数据进行检测，并经过信号转换后输入到PLC控制系统中进行分析和处理。
结束语
1）基于变频器调速控制技术设计研究了煤矿无极绳绞车速度控制系统，本系统利用PLC控制器对变频器进行控制，实现三相异步电机的控制，达到调节速度的目的；
2）对系统的供电电路、变频器、PLC控制器等硬件部分进行了详细介绍，其中变频器和控制器CPU的型号分别为BPJ-75/660（1140）和S7-226-AC/DC/RELAY，性能完全能够满足实际使用需要；
3）系统软件部分由1个主程序以及12个子程序共同构成，主程序运行时需要对12个子程序进行不断的调用，以实现系统的各项功能；
4）系统可对绞车开启、停机以及运行过程中的速度进行有效控制，避免速度、运行轨道突变对设备造成冲击，有效提升了无极绳绞车运行的可靠性。
参考文献
[1]吴骁楠.井下无极绳绞车选型分析[J].机电工程技术，2019，48（10）：213-215.
[2]郑跃峰.煤矿设备维修技术的现状与发展趋势[J].建筑工程技术与设计，2017（9）：3146.