基于ACS880變頻器XD2D主從功能的采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳鵬，黎青

(天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 201808)

0 引言

增大采煤機(jī)的功率， 有利于提高采煤機(jī)的機(jī)械安全裕度，增大其適應(yīng)范圍[1]。大裝機(jī)功率意味著大的牽引功率，無論是極薄煤層還是特厚煤層，都要求采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)功率密度大、尺寸小、抗振性能高、可靠性強(qiáng)。采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)通常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的“一拖一”方式，兩臺(tái)變頻器分別設(shè)置成主機(jī)和從機(jī)。“一拖一”方式比“一拖二”方式優(yōu)點(diǎn)更突出，能精確控制每一臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)，控制精度高，牽引系統(tǒng)的控制和保護(hù)性能更完善。“一拖二”方式的變頻器由于沒有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷平衡控制，選型時(shí)為防止電動(dòng)機(jī)過載，裕量要留得比較大，不利于成本控制。

由于煤礦井下工況環(huán)境復(fù)雜多變，采煤機(jī)牽引力不足往往是影響煤礦正常生產(chǎn)的嚴(yán)重問題。在“一拖一”控制方式下，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷平衡控制至關(guān)重要，如果控制不好，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力不一致，動(dòng)態(tài)響應(yīng)跟不上，容易導(dǎo)致單臺(tái)電動(dòng)機(jī)過載，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。通常情況下，采煤機(jī)牽引電動(dòng)機(jī)負(fù)荷平衡控制通常使用變頻器主從功能，典型的應(yīng)用是采用ABB公司ACS800變頻器的主從功能。

ACS800變頻器主從鏈路采用光纖通信介質(zhì)，光纖在采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)上應(yīng)用時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度差、彎曲半徑小、光纖頭井下易受污染等條件限制，可靠性和維修便捷性都不甚理想。本文采用ACS880變頻器XD2D主從功能設(shè)計(jì)采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)，采用普通屏蔽雙絞線有效地解決了這一問題，具有控制精度高、成本低、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

1 ACS880的XD2D方式的主從控制功能

1.1 ACS880 XD2D的主從功能

ACS880變頻器連接起來組成主從鏈路，可以使用光纖電纜，但需要一個(gè)額外的FDCO通信模塊，也可以使用XD2D端子之間的屏蔽雙絞線電纜。XD2D連接方式的原理如圖1所示，變頻器與變頻器通信間鏈路是一個(gè)RS-485總線傳輸?shù)沫h(huán)網(wǎng)，允許一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)的基本主從通信。變頻器設(shè)置終端電阻，可提高通信信號(hào)質(zhì)量。

圖1 ACS880 XD2D主從電纜接線方式原理圖

1.2 ACS880 XD2D的主從優(yōu)勢(shì)

ACS880的XD2D主從與ACS800主從功能的比較見表1。如表1所示，XD2D方式允許鏈路的最大長(zhǎng)度為50 m，主機(jī)和從機(jī)之間傳輸給定值最大延遲小于5 ms，傳輸速率達(dá)4 Mbit/s，高于ACS800變頻器采用光纖主從時(shí)的性能。XD2D最大優(yōu)勢(shì)是采用普通屏蔽雙絞線，避免光纖井下應(yīng)用時(shí)的可靠性和維護(hù)困難問題。ACS880的XD2D主從功能通信速度高、可靠性高、投資成本低，適用于采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)。

2 ACS880的XD2D方式的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ACS880變頻器的主從功能的主機(jī)為速度控制，從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，從機(jī)跟隨主機(jī)。如圖2所示，圖中采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)作為變頻器的上位機(jī)，把控制字、速度、轉(zhuǎn)矩的指令發(fā)送到主變頻器。ACS880變頻器配置FSCA-01的RS-485總線適配模塊，滿足Modbus RTU協(xié)議。變頻器間的通信采用XD2D端口，其本質(zhì)是RS-485通信，通信介質(zhì)采用普通屏蔽雙絞線。

表1 ACS880的XD2D主從與ACS800主從功能的比較

圖2 采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)硬件總框圖

3 變頻器XD2D方式的主/從通信參數(shù)設(shè)置

ABB公司ACS880系列變頻器在XD2D主從應(yīng)用時(shí)，主要針對(duì)60組、61組和62組參數(shù)設(shè)置主機(jī)和從機(jī)參數(shù)。

1) 60.01 主從通信端口。設(shè)置為XD2D方式，定義主從通信硬件連接方式。

2) 60.02 主從節(jié)點(diǎn)地址。主機(jī)設(shè)置為1 ，從機(jī)設(shè)置為2，用于多個(gè)從機(jī)應(yīng)用時(shí)區(qū)分主機(jī)監(jiān)視的從機(jī)數(shù)據(jù)。

3) 60.03 主從模式。默認(rèn)為未使用，定義變頻器在主從鏈路上的角色。

(1) DDCS主設(shè)備。變頻器是主從DDCS鏈路上的主設(shè)備，DDCS鏈路由光纖電纜或XD2D方式的屏蔽雙絞線電纜組成。采用XD2D主從控制時(shí)，主機(jī)應(yīng)設(shè)置為DDCS主設(shè)備，上位機(jī)的控制指令要發(fā)送給這臺(tái)變頻器。

(2) DDCS從設(shè)備。變頻器是主從DDCS鏈路上的從設(shè)備。采用XD2D主從控制時(shí)，從機(jī)應(yīng)設(shè)置為DDCS從設(shè)備，上位機(jī)不必向這臺(tái)變頻器發(fā)控制指令，本臺(tái)變頻器的控制指令來自主機(jī)。

(3) D2D主設(shè)備。變頻器是變頻器間D2D鏈路上的主設(shè)備。D2D傳動(dòng)到傳動(dòng)的連接需要變頻器包含N8010授權(quán)信息，使用ACS880應(yīng)用編程編程，能夠更靈活的實(shí)現(xiàn)變頻器間的數(shù)據(jù)傳遞。

(4) D2D從設(shè)備。變頻器是變頻器間D2D鏈路上的從設(shè)備。

(5) DDCS強(qiáng)制。變頻器在主從DDCS鏈路上的角色由其他參數(shù)定義。

(6) D2D強(qiáng)制。變頻器在D2D鏈路上的角色由其他參數(shù)定義。

4) 60.05 主從硬件連接。定義主從鏈路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用XD2D主從方式必須使用星型連接。

5) 60.14 主從從機(jī)選擇。該參數(shù)僅在主機(jī)中設(shè)置，定義從哪些從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。主機(jī)參數(shù)應(yīng)設(shè)置為從設(shè)備2。

6) 60.17 從機(jī)故障。該參數(shù)僅在主機(jī)中設(shè)置，此處主機(jī)參數(shù)設(shè)置為故障，即從機(jī)故障時(shí)主機(jī)因FF7E故障跳閘。相當(dāng)于增加啟動(dòng)互鎖功能，防止從變頻器故障時(shí)故障范圍擴(kuò)大化。

7) 61組 D2D和DDCS發(fā)送數(shù)據(jù)。定義發(fā)送到DDCS鏈路的數(shù)據(jù)。

主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的控制指令數(shù)據(jù)包括控制字、給定值1和給定值2，具體參數(shù)設(shè)置為：62.01 主從數(shù)據(jù)1選擇=從機(jī)控制字，62.02 主從數(shù)據(jù)2選擇=實(shí)際速度給定值，62.03 主從數(shù)據(jù)3選擇=轉(zhuǎn)矩給定值5實(shí)際值。

從機(jī)向主機(jī)發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)包括狀態(tài)字、狀態(tài)值1和狀態(tài)值2，具體參數(shù)設(shè)置為：62.01 主從數(shù)據(jù)1選擇=狀態(tài)字 16位，62.02 主從數(shù)據(jù)2選擇=狀態(tài)字1 16位，62.03 主從數(shù)據(jù)3選擇=狀態(tài)字2 16位。

8) 62組 D2D和DDCS接收數(shù)據(jù)。定義通過DDCS鏈路接收數(shù)據(jù)的映射。62.01主/從數(shù)據(jù)1選擇、62.01主/從數(shù)據(jù)1選擇和62.01主/從數(shù)據(jù)1選擇三個(gè)參數(shù)定義了從機(jī)接收到的主機(jī)數(shù)據(jù)的用途，僅需要在從機(jī)中設(shè)置，具體設(shè)置為：62.01=控制字 16位，62.02=給定值1 16位，62.03=給定值2 16位。

9) 19.12 Ext1 控制模式，此參數(shù)設(shè)置變頻器運(yùn)行模式，默認(rèn)為速度，主機(jī)設(shè)置為速度模式，從機(jī)設(shè)置為相加。

(1) 速度。速度控制采用的轉(zhuǎn)矩給定值來自速度給定鏈輸出。從機(jī)的速度指令來自主機(jī)的速度。主從機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸采用柔性連接時(shí)，可以采用此設(shè)置，允許主從機(jī)間存在輕微速度差別。

(2) 轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制采用的轉(zhuǎn)矩給定值為轉(zhuǎn)矩給定鏈輸出。從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值來自主機(jī)的轉(zhuǎn)矩鏈輸出，適用于主從機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸為剛性連接，不允許出現(xiàn)速度差。

(3) 最小。轉(zhuǎn)矩選擇器在速度控制器輸出和轉(zhuǎn)矩給定值中取值較小的一個(gè)。僅在特殊場(chǎng)合下使用。

(4) 最大。轉(zhuǎn)矩選擇器在速度控制器輸出和轉(zhuǎn)矩給定值中取值較大的一個(gè)。僅在特殊場(chǎng)合下使用。

(5) 相加。轉(zhuǎn)矩選擇器將速度給定值鏈輸出加到轉(zhuǎn)矩給定值鏈輸出。變頻器在正常的運(yùn)行時(shí)為轉(zhuǎn)矩控制，出現(xiàn)速度偏差超過窗口范圍時(shí)，視窗控制會(huì)使誤差送到速度控制器，通過速度控制器的輸出引起速度升高或降低，以增加或減少內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定值。采用相加選項(xiàng)和視窗控制一起使在轉(zhuǎn)矩控制模式下的從機(jī)形成了一種速度監(jiān)視功能[2]，同時(shí)保證了從機(jī)跟隨主機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。對(duì)于采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)而言，兩牽引電機(jī)間不同于完全的剛性連接，允許微小的速度差，因此從機(jī)參數(shù)宜采用相加設(shè)置。

10) 24.41 速度誤差窗口控制方式。允許或者禁用速度誤差窗口控制，使變頻器具備轉(zhuǎn)矩控制的速度監(jiān)測(cè)功能。速度誤差窗口控制僅在相加模式激活 時(shí)，或在變頻器為從機(jī)速度控制時(shí)有效。從機(jī)應(yīng)允許速度誤差窗口控制。同時(shí)設(shè)置24.43速度誤差窗口控制上限=40 r/min，速度誤差窗口控制下限=40 r/min。

11) 20.01 Ext1 命令。選擇外部控制地1的啟動(dòng)、停止和方向命名源。主機(jī)設(shè)置為現(xiàn)場(chǎng)總線A，配置FSCA-01模塊；從機(jī)設(shè)置為主從連接，即控制指令來自主從鏈路上的主機(jī)。

12) 從機(jī)給定源選擇，采用XD2D主從功能的從機(jī)，需要設(shè)置：22.11 速度給定1選擇=主從給定值1，26.11 轉(zhuǎn)矩給定1選擇=主從給定值2。

4 結(jié)論

基于ACS880變頻器的XD2D功能，對(duì)采煤機(jī)牽引調(diào)速系統(tǒng)負(fù)荷分配提出了新的方法，此方法響應(yīng)速度快、控制精度高、投資成本低、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單。煤礦井下工業(yè)性試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，具有一定的推廣價(jià)值。