應用變頻調速裝置的電鏟柔性開斗控制系統★

職 彥

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

在礦藏埋藏較淺的情況下，與傳統井工礦相比，露天礦具有開采成本低、效率高及安全系數高等優點，因此是目前首選的開采方式。在露天礦的各種開采設備中，WK系列電鏟是目前的核心首選設備，經過多年的發展，已從 WK-4、WK-10發展至WK-20、WK-27、WK-35、WK-55、WK-75 全 系 列 。目前全系列電鏟均使用開斗電機+開斗鋼絲繩方式控制繃繩及斗底板的打開。

1 開斗機構工作原理

礦用挖掘機由提升、推壓、回轉和行走四大機構組成[1]。在一個挖掘周期中，先是鋼絲繩提升鏟斗，同時推壓機構把斗桿推向工作面，固定在斗桿上的鏟斗在推壓機構產生的推力作用下切入礦巖中，在提升機構的作用下隨斗桿繞推壓軸轉動，鏟斗在提升和推壓力同時作用下，裝滿物料，然后離開工作面。之后鏟斗在回轉機構作用下轉至卸載處，卸貨時，在開斗電機的驅動下開斗鋼絲繩拽動開斗銷，從而打開斗底板卸貨。當電鏟處于非卸貨狀態時，開斗電機輸出一個較小的轉矩拉動開斗鋼絲繩，使鋼絲繩處于繃緊而不至于拽動開斗銷的狀態。

電鏟工作時，開斗機構時刻處于工作狀態，其工作的穩定性與可靠性直接關系整機的工作效率，對設備的高效運行起著關鍵作用。

2 主流開斗控制系統

開斗電機在工作中存在繃繩力矩輸出與開斗力矩輸出兩個狀態。這兩個狀態根據不同的挖掘階段互相轉換：整機啟動后自動進入繃繩狀態，司機操作主令發出開斗信號后，進入開斗狀態并持續2 s，2 s后恢復繃繩狀態。為了在定頻、定壓下實現不同的輸出轉矩，只能改變電機的特性曲線，即采用轉子串電阻調速方案。繃繩狀態下，開斗電機轉子串入一個較大的電阻值，此時輸出轉矩較低；當司機操作主令發出開斗信號后，將上述電阻值部分短接，此時輸出轉矩會提高，2 s延時結束后，自動恢復為繃繩轉矩。

觀察整個開斗電機的工作周期發現：電機大部分時間處于堵轉狀態，只有某些過度狀態，如繃繩啟動階段、開斗啟動階段，推壓斗桿回抽過程中電機才會轉動，因此電機的設計制造和使用保護顯得尤為重要。在繃繩和開斗兩種工作狀態互相轉換的過程中，工作狀態點會在兩條特性曲線上來回移動，暫態過程必然導致電機輸出轉矩和速度波動較大。反應到開斗繃繩上，能看到繃繩總處在“跳動”之中，該沖擊會極大降低繃繩正常使用壽命，時間久了，也會對電機底座和開斗銷等機械部件造成損傷。

從硬件上考慮，該開斗系統需要配置一個和電機配套的電阻柜。為便于現場整定，該電阻柜需預留數個繃繩和開斗檔位。在現場使用時，如果開斗效果不佳，比如繃繩狀態斗底板自動張開或開斗狀態斗底板無法打開，一方面可以通過機械加減墊片整定斗栓插入深度，另一方面可以更換電阻箱上的檔位。該方法的局限性在于，檔位的調節非連續變化，檔位設置過多增加硬件體積和成本，檔位設置較少不便于使用。同時，隨著時間推移，機械阻力等因素會造成前期整定好的檔位需要重新調整。

3 柔性開斗控制系統

為克服上述缺點，現提出一套新的柔性開斗控制系統，該系統由西門子S120模塊型功率模塊和伺服電機組成[2]，系統組成如下頁圖1所示。功率模塊通過其上附裝的CU310-2PN控制單元通過Profinet網絡和西門子S7-1500CPU進行通訊，電機編碼器的速度信號反饋至CU310-2PN的專用接口內。

該系統與之前相比有如下優點：

圖1 柔性開斗控制系統組成示意圖

1）體積小，集成度高。西門子S120書本型變頻器可以很方便地安裝在現有的電氣柜中，同時變頻器上附裝直流制動電阻，無需另設一個制動電阻柜。

2）保護功能更多。變頻器中集成了各種電機保護功能，非傳統的僅短路、過載保護。

3）控制更加柔和。結合伺服電機選裝的速度編碼器，變頻器可以實現精確的速度控制，調速過程更加柔和，克服以往沖擊大的缺陷。

4）人機交互性更強。通過Profinet網絡，PLC可實時讀取功率模塊的各種運行數據，并顯示在司機室的觸摸屏上，便于直觀了解開斗電機運行參數。

3.1 控制策略

開斗電機工作分繃繩和開斗兩個狀態，二者的區別在于輸出轉矩不同。按該思路，在變頻器中設定為轉矩控制方式，速度限幅設為電機的額定轉速。變頻器數字量輸入接口接收PLC發送的數字量，用于識別當前電機狀態。在變頻器的DCC功能中，預設兩個轉矩給定值，根據PLC發送的數字量切換?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖2 柔性開斗控制框圖

實際觀察發現該控制策略并不能很好地抑制開斗鋼絲繩“跳動”，運行過程并不平穩。后期分析認為，由于鏟斗位置不同，造成開斗機構的阻力變化較大，電機輸出轉矩減去機械阻力后才是作用在開斗鋼絲繩及開斗銷上的終端轉矩，終端轉矩的波動導致鋼絲繩運行并不平穩。

為達到電機平穩輸出的目的，改變控制方式為速度控制，轉矩限幅。在兩種工作狀態下，速度給定均為額定收繩速度，轉矩限幅隨工作狀態的改變而改變。該方案較之轉矩控制策略的一個明顯優勢在于電機加速減速時間可調，因此外界阻力發生較大的波動時，電機速度不會發生過大的波動，理論上運行更加平穩。結合伺服電機選裝的速度編碼器，電機的控制能達到相當的精度。同樣，上述功能借助DCC實現，新的功能圖如圖3所示。

圖3 柔性開斗新功能圖

啟動后發現，電機運行狀態明顯好轉，開斗鋼絲繩的啟動較為平穩，不同于以前有一個突然抖動的過程。繃繩達到穩定狀態后，隨著鏟斗的移動，鋼絲繩始終處于較好的繃緊狀態。司機發出開斗指令后，轉矩限幅也隨之變為開斗限幅，斗底板被平穩拽開，2s后轉矩限幅恢復為繃繩限幅。

3.2 人際交互接口

為了適應工作一段時間后開斗系統機械阻力的改變，在司機室畫面中增加了兩個調節滑塊，分別用于調節繃繩轉矩和開斗轉矩。調節范圍對應可能的最大最小轉矩，正常工作時所需的轉矩值被包含在該范圍內。進入該畫面需要授權密碼管理，以防他人隨意更改。

4 應用

山西某礦開斗控制系統自2017年初運行至今，運行良好，開斗鋼絲繩使用壽命從之前的15 d左右增加至40 d，電機底座、開斗銷等相關機械部件損耗也明顯降低。司機和維護人員反映良好，裝車效率較之前有提高的同時極大減輕了維護壓力。