提升机直流调速控制策略及现场调试.pdf

技术应用andDevelopmentManagementMechanicalNo.7,20232023年第7 期Total243总第2 4 3 期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.121提升机直流调速控制策略及现场调试刘愿圆（晋能控股集团挖金湾煤业公司辅助运输管理部，山西大同037001)摘要：为解决提升机传统晶闸管调速系统故障高、稳定性差、控制精度低的问题，以双层四车双罐提升机为研究对象，在对其工作参数研究的基础上，基于提升机的控制要求，确定以S7-300系列PLC控制器和6 RA70整流器实现直流调速控制功能；同时，采用基于电机转速和电流的双闭环模糊PID控制策略实现对提升机的高精度、高稳定性的控制，并可对故障进行准确定位。关键词：提升机；PLC控制器；直流调速；整流器；模糊PID控制器中图分类号：TP73文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3 X(2023)07-0296-020引言提升机为煤矿生产中的主要提升设备，其作为煤矿地面和工作面的主要运输通道，承担着对物料、人员、材料以及设备的运输任务。对于提升机而言，除了保证其正常的运输量外，对其运输的安全性、可靠性的要求也较高。传统提升机采用晶闸管调速装置进行控制，但是该装置存在硬件电路复杂、故障率高、稳定性差以及控制精度低等问题。为解决上述问题，本文将结合直流调速装置的抗干扰能力、调速简单以及制动性能等优势应用于提升机的调速控制中,并针对性地完成设计相应的控制策略-7 1提升机直流调速设计本文所研究提升机属于落地型多绳摩擦轮提升，该提升机所配套的提升机器为双层四车双罐笼矿车。该提升机的具体工作参数如表1 所示。表1提升机具体工作参数钢丝绳最大钢丝绳间摩擦轮直 天轮直径参数名称钢丝绳根数静张力/kN距/mm径/mm/mm指标1400300440004.000为该提升机所配套电动机的具体型号为ZK-TD250/67,其额定功率为1 7 0 0 kW，额定转速为5 2 r/min。与其他设备的直流调速系统相似，提升机直流调速控制系统可以划分为六个部分，分别为动力系统、PLC控制系统、液压系统、全数字直流调速系统、安全回路以及检测监控系统等。结合提升机的实际工作状态，其直流调速控制系统需完成对提升容器的主加速、匀速、主减速、爬行以及停车等控制状态 8-1 0 。同时，结合提升机的实际工况，要求提升机直流调速控制系统满足四象限运行功能、具备高精度的调速功能、可实现平滑的调速功能、可对行程进行实时显示和控制等功能。针对提升机直流调速控制需求，本系统采用PLC控制器和直流调速装置实现其功能。其中，所配套PLC控制器的具体型号为S7-3000型。所选择配套直流调速装置为6 RA70型整流器，该直流调速装置具有高控制精度、维护成本低、高性价比等基础优势；同时，6 RA70型整流器可采用更先进的控制算法对设备进行控制，与传统的模拟电路的直流调速装置具有本质的区别。为实现提升机直流调速控制的功能，保证设备的可靠性和安全性，为其配套的关键传感器及其功能如表2 所示。表2直流调速控制系统关键传感器及其功能传感器名称型号功能测速发电机ZYS-8A直接对提升机电机的转速进行测定实时监测提升机箕斗、配重等部件的位置和井筒磁开关KKGE1-1-AP运行方向闸检测开关GUH80判断抱闸开关的状态，即打开或关闭油压变送器对液压系统中管路中液压油压进行监测烟雾传感器光电式对现场烟雾浓度进行监测2提升机直流调速控制策略2.1双闭环直流调速方式在上述硬件的基础上，为进一步提升直流调速装置对提升机控制的响应速度、稳定性和抗干扰能力，本系统将采用双闭环型的调速系统。所谓双闭环直流调速系统指的是，控制系统包含有基于电流的内环控制系统和基于转速的外环控制系统，具体结构如图1 所示。RUACRIRASRU.U.U一电压;I一电流;一转速反馈系数;一电流反馈系数；n一转速图1双闭环直流调速控制系统收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 2作者简介：刘愿圆（1 9 9 3 一），女，山西繁峙人，本科，毕业于辽宁工程技术大学，助理工程师，研究方向为提升机。297刘愿圆：提升机直流调速控制策略及现场调试2023年第7 期如图1 所示，ASR为转速调节器，为基于转速的外环控制系统核心；ACR为电流调节器，为基于电流的内环控制系统核心。两个调节以串联的方式实现连接，对保证整个系统的抗干扰性能、静态稳定性和动态稳定性具有重要基础。2.2模糊PID直流调速控制策略针对上述电流和转速的双闭环控制要求，对于电流对应的内环控制系统和基于转速的外环控制系统采用模糊PID控制策略实现其功能。PID控制器为当前工业中应用较为广泛的控制器，其基本结构包括有比例调节器、积分调节器和微分调节器。其中，比例调节器的主要功能是保证系统的响应速度；积分调节器的功能是保证系统的控制精度；微分调节器的功能为减少系统超调量。为保证提升机运行的安全性和可靠性，提升直流调速控制系统的控制精度、响应速度是十分有必要的。实践表明，采用常规PID控制无法保证系统能够得到最佳、最优的控制效果。因此，本文中提升机的直流调速控制系统将采用模糊PID控制器实现其电流环和转速环的双闭环控制策略。模糊PID控制器结构如图2 所示。模糊控制器kkae常规PID控制对象deldt控制器图2模糊PID控制器结构示意图基于模糊控制器可根据常规PID控制器中的K、K 和K三个初始参数进行不断优化纠正，实现对系统最优、最佳控制。基于模糊PID控制策略所建立的提升机直流调速控制系统的传递函数如式（1）所示：2G(s)=32+3s+1(1)根据提升机的实际运行工况，设定PID控制器中K,=20、K;=1.2 9、K a=3.6，根据模糊控制规则确定解模糊因子分别为K,=0.5,Kz=K;=0.01。基于Simulink软件对基于常规PID控制器和模糊PID控制器的直流调速控制系统的控制效果进行仿真对比分析，仿真结果如表3 所示。如表3 所示，基于模糊PID控制器比基于常规PID控制器具有更佳、更优的控制效果。首先，基于模糊PID控制器可在不到1 s的时间内实现系统达到稳定状态；在调节控制过程中超调量仅为0.1 6%，可以忽略不计。总的来讲,基于模糊PID控制策略可进表3模糊PID控制器和常规PID控制器控制效果对比控制器名称超调量/%系统稳定调节时间/s上升时间/s振荡次数常规PID控制器5.235.4780.2721模糊PID控制器0.160.7320.7170一步提升直流调速控制系统的响应速度和稳定性能。3直流调速控制系统调试结果根据直流调速系统的核心及其控制策略完成设计后应用提升机控制的实际生产中。为保证运行的安全性，在运行前需要对系统开展接线检查、绝缘检查、上电检查等一系列检查动作，并依次开展传动、PLC功能、空载运行、带载运行、过载运行以及停车试验进行调试工作。所设计的提升机直流调速控制系统的实时运行监测画面如图3 所示后备过器0主罐深度后备过春速度给定主罐过春福过春290.63主罐停之点量停2 点12主塔停1 点-165高罐停1 点副罐深度20/监视实际速度232主球校正点新带校正点560.37主罐减速点30930911.92二耐罐减速点全桥横式自动横式充许运行-387387紫急停车上过春电源系统故障桥1 横式手动模式手柄零位事故停车下过卷辅助系统故障464简易运行464桥2 式配电正常次提升故障电报过流通讯故障高压1 合快开1 合选择PLC1542三-542传动故障励磁过流并筒开关故障高压2 合快开2 合选择PLC2619PLC模式错误失磁事故报警一619磁场1 运行快开3 合主风机运行电机错向编码器故障桥横式错误-696-696磁场2 运行励磁合刚备用滑绳保护磁场故障主风机未运行速度1速度2备用-174-774速度调节器饰和电机超速备用速度3速度4开车条件满足备用备用备用851图3直流调速控制系统实际运行监测画面在整个调试过程中，提升机直流调速控制系统各个分系统、零部件均可正常运行；尤其是可对提升容器位置和速度的实时监测；并且，当提升机运行出现故障或者安全隐患时，系统能够及时报警并停机，而且可对故障类别及位置进行快速确定，为故障的排查奠定基础。4结语提升机为煤矿综采工作面生产的关键运输设备，其承担人员、物料、设备以及煤炭的运输任务。对于提升机而言，保证其运行的安全性、可靠性尤为重要。为此，本文针对传统提升机调速控制系统精度低、响应速度慢以及安全系数低的问题；采用基于PLC和直流调速装置为核心设计了直流调速控制装置，并根据提升机运行工况完成了直流调速的模糊PID控制策略设计。通过实践调试应用，提升机在直流调速控制的作用下可实现高精度、快速响应的控制，而且还对故障进行准确定位参考文献1陈鑫，杜庆楠，乔美英，等.矿井提升机变频调速控制策略的研究J.计算机仿真，2 0 1 5,3 2（8）：1 5-1 6.2隋涛，孔苓青，刘秋贺，等专家PID控制在矿提升机直流调速系统中的应用 J.中国科技论文，2 0 1 7，1 2（2）：6 3-6 5.3季维树，何继发.提升机的节能变频调速控制技术 J.工矿自动化,2 0 0 7(6):1 0 3-1 0 5.（下转第3 0 0 页）(编辑：王婧）上接第2 9 7 页(ng编辑：柴晓峰）300第3 8 卷机械管理开发350普通支护300一一组合注浆锚索支护250200150100501010203040506070监测时间/d图4两帮移近量变化曲线理念、“加固”理念及“协同”理念，并针对性地设计了常规锚网喷+注浆锚索联合支护方案，即先进行锚网喷常规支护，再实施组合锚索及注浆支护。3)采用设计的联合支护方案进行工程实践，巷道整体围岩变形控制较好，相比临近采用普通支护方式的轨道大巷，以其中5 个测点的平均值为例,顶板下沉量控制在6 2 mm，改善率为4 8.3%；底鼓量控制在190mm，改善率为6 2.6%；两帮移近量控制在1 0 0mm，改善率为6 6.8%。整个生产过程中未发生恶性冒顶片帮事故，安全生产得到保障。参考文献1张振峰.千米深井巷道高压劈裂注浆围岩加固机理与技术研究D.北京：煤炭科学研究总院，2 0 2 1.2王亚.深井高应力软岩室流变破坏特征及控制研究 D.徐州：中国矿业大学，2 0 2 0.3魏国帅.深井高地应力回采巷道特厚复合顶板破坏机理及支护研究 D.太原：太原理工大学，2 0 1 8.4田海峰，王俊峰.三锚联合支护技术在深井掘进过断层带施工中的应用 J.西部探矿工程，2 0 1 8,3 0（2）：1 7 1-1 7 3.5杨宗坡.中空注浆锚索及锚杆在千米深井软岩大断面支护中的应用 J.山东煤炭科技，2 0 1 6（1 1）：2 7-2 9.6郝笑甜.深孔高强锚注技术在深井巷道修复中的应用 刀.煤矿开采，2016,21(5):44-47;78.7侯恒元.深井高地应力软弱围岩巷道分部联合支护技术研究与应用 J.中国高新技术企业，2 0 1 6（1 2）：1 4 1-1 4 2.8张道靖.超千米深井软弱破碎巷道围岩加固技术与应用 J.煤炭与化工,2 0 1 5,3 8(2)：5 7-5 9.Practice of Deep high Ground Stress Roadway Support Based on Anchor Cable GroutTechnologyMa Junjie(Shuiyu Coal Industry,Fenxi Mining Group,Xiaoyi Shanxi 032300,China)Abstract:Based on the analysis of the deformation and damage characteristics of the surrounding rocks and the dificulties of the support,it is proposed that the roadway support should highlight the concepts of let pressure,reinforcement and synergy under the projectconditions.The design of the combined anchor network spraying+slurry anchor rope support scheme was verified by the practice oftunneling support project and mine pressure observation,the designed combined support scheme is well adapted to the roadway conditionsand can guarantee the stability of the roadway surrounding rock and safe production,with significant technical and economic benefits.Key words:high ground stress;windrow tunnel;rock control;support scheme;combined slurry anchor cable4王暖礼.提升机的节能变频调速控制技术 J.煤炭技术，2 0 0 9,2 8(3):47-48.5吴延华，毛庆波.矿井提升机变频调速系统的能量回馈控制J.煤炭科学技术，2 0 0 9（4）：7 3-7 4.6胥良，王金波，季厌浮，等.矿井交流提升机调速控制系统的研究J.煤矿开采,2 0 1 1(4):3 3-3 4.7杜庆楠，刘硕.矿井提升机连续实时变频控制策略的研究 J.电力电子技术,2 0 1 7,5 1(5）：4 9-5 0.8王公华，陈颖，丁瑞，等.基于6 RA70整流装置的1 2 脉动串联整流技术及其应用.工矿自动化，2 0 0 8（6）：3 9-4 0.9陈霞，高健，陈耀，等.矿井提升机储能系统控制策略的优化与设计 J.煤炭技术,2 0 1 7 9)：3 3-3 5.10于淑华，姜建堂.基于S7-300PLC的提升机直流调速系统设计J.煤矿安全，2 0 0 8,3 9(1)：7 3-7 5.DC Speed Control Strategyy for Hoist and Field CommissioningLiu Yuanyuan(Auxiliary Transportation Management Department,Jineng Holding Group Wajinwan Coal Company,Datong Shanxi 037001,China)Abstract:In order to solve the problems of high failure,poor stability and low control accuracy of the traditional thyristor speed controlsystem of hoist,taking the double-deck four-car double-tank hoist as an example,based on the study of its working parameters;based onthe control requirements of the hoist,the S7-300 series PLC controller and 6RA70 rectifier are determined to realize the DC speed controlfunction;at the same time,the double closed-loop motor speed and current-based Fuzzy PID control strategy based on motor speed andcurrent to achieve high precision and stability control of the hoist,and can be accurate fault fault location.Key words:hoist;PLC controller;DC speed control;rectifier;fuzzy PID controller