楊騰飛

（山煤集團煤業(yè)管理有限公司，山西 太原，030006）

1 概述

伴隨著礦井井型的增大和產(chǎn)能的提高，對礦井提升機的可靠性也提出了更高的要求[1]。礦井提升機若出現(xiàn)超速、過卷、過放等問題，會嚴重影響礦井正常的安全生產(chǎn)，甚至人員的人身安全[2]。對礦井提升機的控制系統(tǒng)進行研究設計，從而保證礦井提升機運行的穩(wěn)定性和可靠性，對于礦井安全高效生產(chǎn)的實現(xiàn)具有積極的現(xiàn)實意義。

2 礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)總體設計

對于礦井提升機而言，其最為重要的控制功能是通過主控制單元來實現(xiàn)的。通過主控制單元可以對礦井提升機的傳動、信號、上位機等設備的工況系統(tǒng)實時監(jiān)控，并對其發(fā)出的各種數(shù)據(jù)信號進行分析處理，以此來保證礦井提升機的正常運轉。嵌入式處理器具備設備可靠、易于編程、調試簡便等優(yōu)點，特別是ARM嵌入式處理器因具有優(yōu)異的產(chǎn)品性能、較低的使用能耗、簡易的編程開發(fā)以及高度的運行可靠，而被廣泛地應用于工業(yè)控制領域[3]。因此，本次設計將LPC2131型ARM嵌入式處理器應用于礦井提升機控制系統(tǒng)當中。

LPC2131型ARM嵌入式處理器，是由世界著名的飛利浦公司開發(fā)生產(chǎn)的一款由ARM公司授權的32 位嵌入式處理器。該型處理器是以John von Neumann結構的ARM7TDMI-S內核為基礎的，通過三級流水線進行運算處理，并且采用16位指令長度的Thumb結構化策略，對于有限的儲存容積、復雜的數(shù)據(jù)密度等情況十分適用。

2.2 變頻調速控制方案

本次礦井提升機變頻調速控制方案，是通過改變輸入電路的頻率，進而改變電機的轉速快慢，從而達到礦井提升機變頻調速的目的。整個變頻調速電路將運用交—直—交的轉換電路來實現(xiàn)電機的變頻調，整個電路系統(tǒng)包括整流、中間直流以及逆變三部分電路。其中輸入電路系統(tǒng)的是三相工頻交流電，而后通過不可控整流、PWM逆變可以得到具有不同頻率的交流電，針對電能處理主要由交—直、直—分轉換兩個部分組成。礦井提升機變頻調速主回路控制電路見圖1。

圖1 變頻調速主回路控制電路

2.3 變頻控制系統(tǒng)設計

鑒于礦井提升機實際變頻控制系統(tǒng)使用需求，根據(jù)相關硬件設計規(guī)則，對礦井提升機變頻控制系統(tǒng)進行硬件設計。礦井提升機變頻控制系統(tǒng)硬件設計見圖2。

圖2 變頻控制系統(tǒng)硬件設計

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)硬件設計是由主回路（上半圖）和控制回路（下半圖）所組成，見圖1。其中，控制回路圍繞LPC2131型ARM嵌入式處理器進行矢量運算、處理信號等來實現(xiàn)控制功能的。

2.4 變頻控制系統(tǒng)驅動電路

由于IGBT（即絕緣柵雙極型晶體管）必須配備具有正方向電壓的供電系統(tǒng)、能夠及時開關、具有保證整個電路正常運行的電壓電流幅值以及良好的抗干擾性能。據(jù)此本次設計選用了IR2233型驅動芯片，該型芯片能夠滿足三相電動機的驅動使用需求，在電路故障或者欠壓等異常情況下，能夠及時將6個輸出端口關閉避免造成事故。礦井提升機變頻控制系統(tǒng)驅動電路見圖3。

2.5 變頻控制系統(tǒng)監(jiān)測電路

（1）變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電路

通過定子電流監(jiān)測設備可以對整個控制系統(tǒng)的矢量精度進行實時監(jiān)測控制，即對流經(jīng)驅動電機的三相定子的電流信號進行監(jiān)測，并通過處理器AD將電流信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，進而運用后續(xù)處理程序對數(shù)字信號進行分析處理。本次設計采用了TBCDS-06型傳感器，通過OP07放大器電路對電流信號進行放大收集。礦井提升機變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電路設計見圖4。

圖3 變頻控制系統(tǒng)驅動電路

圖4 變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電路

（2）變頻控制系統(tǒng)電壓監(jiān)測電路

通過并聯(lián)電阻方法可以實現(xiàn)對礦井提升機變頻控制系統(tǒng)的電壓進行監(jiān)測，再綜合采用分壓電阻方法對礦井提升機變頻控制系統(tǒng)的輸出電壓進行監(jiān)測，礦井提升機變頻控制系統(tǒng)電流監(jiān)測電壓電路見圖5。

圖5 變頻控制系統(tǒng)電壓監(jiān)測電路

（3）變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路

通過變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路可以實現(xiàn)對速度閉環(huán)和轉子磁鏈進行實時監(jiān)測，其中將旋轉編碼器布置于電機轉軸上，作為速度監(jiān)測電路的監(jiān)測元件，對電機運行當中轉軸的角位置和轉速進行脈沖編碼。本次設計采用了歐姆龍自動化公司生產(chǎn)的E6B2型編碼器，對礦井提升機驅動電機的速度進行監(jiān)測控制，以符合保證礦井提升機安全正常使用的要求。礦井提升機變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路見圖6。

圖6 變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路

（4）變頻控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測電路

通過變頻控制系統(tǒng)速度監(jiān)測電路，可以實現(xiàn)對電路中逆變模塊、驅動電機運行時溫度的實時監(jiān)測。本次設計采用了4組LM75型溫度傳感器，該型溫度傳感器能夠對-55℃～125℃范圍內的溫度進行實時監(jiān)測，可以通過通過3.3V的直流電源直接為其進行供電。礦井提升機變頻控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測電壓電路見圖7。

圖7 變頻控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測電路

（5）變頻控制系統(tǒng)過流保護電路

將電流霍爾傳感器應用到整個電路設計當中，該傳感器兼具線性度、完全隔離采集端以及非接觸測試等優(yōu)勢。在發(fā)生過流現(xiàn)象中，OCURR端則會發(fā)生低電平現(xiàn)象，ARM處理器將會相應地發(fā)出中斷處理信號，進而達到對電路保護的目的。礦井提升機變頻控制系統(tǒng)過流保護電路見圖8。

圖8 變頻控制系統(tǒng)過流保護電路

3 礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)軟件設計

以礦井提升機控制系統(tǒng)的相關硬件選型和電路設計為基礎，還需要進一步對其軟件進行設計以更好地實現(xiàn)礦井提升機安全可靠地運行。本次軟件設計以礦井提升機實際運行信號采集、參數(shù)設置、運行速度、提升行程等各項運行數(shù)據(jù)，進而對上述運行參數(shù)之間的關系進行分析，并通過控制系統(tǒng)對礦井提升機的實際運行速度進行調整。本次礦井提升機軟件設計將嵌入式的μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)應用于LPC2131型ARM嵌入式處理器當中，采用C語言進行編程，將礦井提升機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)不同功能的各個模塊通過定義成不同任務的方法，且根據(jù)所執(zhí)行任務的重要性將其設置為不同執(zhí)行順序。

3.1 軟件系統(tǒng)層次劃分

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)軟件層次劃分為硬件層、操作層和應用層。硬件層為前文所述以LPC2131型ARM嵌入式處理器為平臺而搭建的整體硬件，而操作層為μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。針對應用層，主要是由信號采集、控制執(zhí)行以及保護等三個程序實現(xiàn)主要功能的。其中，信號采集程序，主要是完成電流、電壓、速度、溫度等參數(shù)的檢測任務?？刂茍?zhí)行程序，主要是通過矢量控制和PID等算法完成發(fā)送軟件系統(tǒng)控制指令的任務。保護程序主要是完成對過流、欠過壓、過熱等異常運行現(xiàn)象進行報警甚至設備運行急停的任務。上述各個任務之間的參數(shù)數(shù)據(jù)等采用郵箱的方式進行傳遞。

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)軟件應用層任務劃分見圖9。

圖9 變頻控制系統(tǒng)軟件應用層任務劃分

3.2 軟件任務的劃分及建立

通過圖8可以知，信號采集、控制執(zhí)行以及保護等三個程序的九項任務，通過μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)由可以細化成見表1。

表1 μC-OS-Ⅱ操作系統(tǒng)具體九項任務程序

3.3 過速過卷錯向控制

過速過卷錯向控制主要是通過矢量控制來實現(xiàn)的，對速度檢測任務的模擬量進行矢量控制，以達到對礦井提升機故障進行報警并啟動相應安全回路的目的。礦井提升機控制系統(tǒng)矢量控制程序框圖見圖10。

4 結語

圖10 控制系統(tǒng)矢量控制程序框

通過將上述礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)應用于東古城煤礦生產(chǎn)實踐當中，礦井提升機采用2JK-3.5/20單繩纏繞式提升機，卷筒直徑3.5 m，卷筒寬度1.7 m，兩個卷筒中心距1840 m，最大靜張力112.7 kN，提升速度6.78 m/s；電動機采用Yr800-8/1180型6 kV高壓三相交流異步電動機，額定功率800 kW，轉速740 r/min；鋼絲繩采用Ф=40 mm，6×19右捻鍍鋅鋼絲繩，抗拉強度170.0 kN/m2?，F(xiàn)場實際運行狀況表明，該套設備能夠實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測，保證礦井提升機運行的穩(wěn)定性和可靠性，對于礦井安全高效生產(chǎn)的實現(xiàn)具有積極的現(xiàn)實意義。