井下绞车智能控制系统研究

摘要：针对煤矿井下绞车调速控制系统反应灵敏度低、可靠性差，严重影响绞车井下运行安全的现状，提出了一种新的井下绞车智能控制系统，通过采用车速及泄漏打点系统的闭环反馈，实现对梭车在不同运行状态下的灵活调整，不仅显著降低了绞车运行时的功耗，还将绞车反应速度提升了83.7%以上，有效提升了绞车运行的安全性和经济性。

关键词：绞车；智能控制；闭环反馈

无极绳绞车是一种被广泛应用在煤矿井下的重载运输设备，具有载重量大、结构简单的优点，主要用于对液压支架、采煤机等大型设备的整体式转运。由于煤矿井下地质条件复杂，无极绳绞车在实际使用过程中需要根据井下物料运输需求和地质条件的不同来灵活调整转运速度和状态。目前的无极绳绞车控制系统多采用二象限变频器驱动控制，不仅控制灵敏度不高，而且控制可靠性差，难以满足井下复杂地质条件下的牵引控制要求。结合井下牵引控制的实际需求，本文提出了一种新的井下绞车智能控制系统，以四象限变频控制器为核心，实现了对无极绳绞车运行过程的状态监测、故障报警，同时通过采用车速及泄漏打点系统的闭环反馈，实现对梭车在不同运行状态下的灵活调整。实际应用表明，新的控制系统能够将绞车工作时的功耗降低27.6%以上，将绞车调速的反应速度提升83.7%以上，显著提升了绞车工作时的安全性和经济性。鉴于此，新的井下绞车智能控制系统目前已经在多个煤矿得到了推广应用。

1绞车智能控制系统

以SQ-120/132P无极绳绞车为例，其主要由张紧装置、换向装置、绞车及控制系统构成。在工作过程中，绞车通过控制系统调节钢丝绳的线速度，钢丝绳牵引梭车运行，并通过梭车碰头来带动串车运输物料。由于串车运行时的负载状态不同、运输路况不同、牵引受力方向不同，要求绞车能够进行正反转、无级调速，同时系统能够根据绞车的运行状态自动选择合适的运行方式，以满足智能运行控制要求。结合无极绞车的实际使用需求，本文所提出的绞车智能控制系统结构如图1所示[1]。由图1可知，在系统运行过程中，作业人员根据串车上的负载状态，分别设定空载、轻载和重载的接入信号，同时通过泄漏通信/打点来确认对应的串车已经连接进牵引系统，系统控制器根据设定的串车负载状态自动选择绞车运行时的牵引速度等指标输出给绞车驱动电机。同时，为了确保对绞车运行状态的精确控制，在绞车运行的不同路段提前设定该路段的参数，当绞车运行到该路段后接收到路段的参数信息，根据该路段参数信息对绞车驱动电机的输出状态进行调整，在确保运行安全的情况下提升绞车运行的经济性。为了满足多路段工况下控制灵活性的需求，该控制系统中采用了四象限变频器，根据控制逻辑，第一象限为电机正向运行，第三象限控制电机反向运行，第二象限控制电机正向回馈制动，第四象限则控制电机进行反向回馈制动。当串车处于重载状态进行转弯或者经过变坡的路径时，可采用恒压变频比输出模式来控制串车的运行状态，此时控制器控制变频器在第一和第三象限工作即可。当串车处于轻载或者空载状态时，为了提升绞车的运行效率和经济性，可以采用恒功率控制输出的模式控制串车运行，此时控制器控制变频器依然在第一和第三象限内工作。当串车需要停车或者减速运行时，要根据牵引方向来控制变频器的工作象限，若是正方向牵引，则在第二象限工作，使串车制动时的机械能转换为电能存储到电网内，若是反向牵引，则在第四象限内工作[2]。

2变频控制系统硬件结构

由于煤矿井下地质条件复杂、工作环境恶劣，要求该变频控制系统的硬件结构要具有高可靠性，同时还要满足数据处理快速性和安全性的要求。该变频控制系统的硬件结构主要包括PLC控制中心、泄漏通信/打点、变频器、驱动电机模块等，具体如图2所示[3]。由图2可知，该控制系统中各个硬件单元之间通过以太网相互连接，数据通信以RS-485通信协议为准，系统数据分析后能够将绞车的运行状态、故障信息等显示在触摸屏上；PLC控制中心作为现场主控制器，通过对串车负载情况和路况的分析，精确地选择最佳的运行控制逻辑，并发出调整控制指令。在系统中加入了数字量模块，能够对绞车的运行状态信息进行筛选和判断，若相关参数超出了系统设定的正常值，则发出语音报警信号，以便技术人员及时处理，防止在牵引过程中发生安全事故。

3变频控制系统软件结构

无极绞车在运行过程中不仅需要确保井下的运输安全，还需要确保能够以最经济的方式运行。因此，结合实际情况，以保障运输安全为基础，以提升运输效率和运输经济性为核心，提出了一种新的变频控制逻辑，其结构如图3所示由图3可知，变频控制逻辑是以PLC控制系统发出的调控指令为基础，若系统输出的指令为模式1，则控制绞车驱动滚筒旋转，控制电机处于第一或者第三象限运转状态，能够将电能转换为机械能，拖动串车运行。当系统输出的指令为模式0时，控制电机处于第二或者第四象限运转状态，能够将机械能转换为电能，降低工作时的能耗，提升运行经济性。实际应用表明，该控制系统在相同的外界条件下能够将电能消耗降低27.6%以上，显著提升了系统运行时的经济性。同时，系统的逻辑控制采用了并行控制模式，系统分析出结果后能直接控制变频器调整，因此有效提升了绞车运行时的反应速度。经过对比，优化前后绞车的反应速度由最初的2.8s降低到了目前的0.46s，反应速度提升了83.7%，极大地提升了绞车运行的灵敏性和安全性。

4结语

针对煤矿井下绞车调速控制系统反应灵敏度低、可靠性差，严重影响绞车井下运行安全的现状，提出了一种新的井下绞车智能控制系统，对其整体结构和软硬件进行了分析，结果表明：a)绞车智能控制系统能够根据绞车的运行状态自动选择合适的运行方式，满足不同运行条件下控制灵活性和安全性的需求；b)变频控制系统的硬件结构主要包括了PLC控制中心、泄漏通信/打点、变频器、驱动电机模块等，具有高可靠性和高灵敏性c)智能控制系统的逻辑控制采用了并行控制模式，系统分析出结果后能直接控制变频器调整，能够有效提升运行时的反应速度；d)新的控制系统能够将绞车工作时的功耗降低27.6%以上，将绞车的反应速度提升83.7%以上，显著提升了绞车工作时的安全性和经济性。

参考文献：

［1］孙玉祥.无极绳绞车在煤矿井下运输的应用［J］.矿业装备，2018(2)：122-123.

［2］赵军业.超大倾角无极绳牵引车连续运输系统应用技术［J］.煤矿安全，2016，47(11)：131-134.

［3］于方洋，邓国强.矿用无极绳绞车变频控制系统及其应用［J］.工矿自动化，2011，37(11)：90-92.

［4］寇保福，刘邱祖，冯晓.立井提升钢丝绳调节装置的仿真分析及应用［J］.煤炭技术，2015，34(2)：217-219.

作者：蔡俊川 单位：山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司