基于CANopen的刮板輸送機變頻控制系統設計

楊引鎖

(西山煤電集團 山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200)

刮板輸送機是煤礦綜采工作面重要的連續運輸設備，具有運輸線路長、承載量大等特點[1]. 在井下，刮板輸送機的運行工況復雜多變，受采煤機運行速度、液壓支架狀態的影響較大。刮板輸送機由機頭、機尾兩臺交流變頻電機共同驅動，在工作狀態下，刮板輸送機鏈條處于勻速運行狀態，隨著采煤機運行速度的變化，刮板輸送機局部承載量不同，導致機頭機尾功率失衡或振蕩，可能會造成機頭機尾電機欠載或超載，長時間運行會使刮板輸送機的工作效率降低，甚至引發安全事故[2-3].

1 控制方案設計

1.1 系統設計

煤礦用刮板輸送機變頻控制方案的總體設計見圖1，刮板輸送機機頭包含2臺隔爆型三相異步電動機，機尾包含1臺隔爆型三相異步電動機。當刮板輸送機處于穩定運行狀態后，如果想保持機頭電機功率與機尾電機功率平衡，由電動機功率與電流的關系可知，只要保證機頭電機和機尾電機電流平衡即可，即根據負載變化，PLC控制器通過控制變頻器，由變頻器調節各個電機的轉速，使得機頭電機的轉矩和機尾電機轉矩的差值在合理范圍內，避免電機出現欠載或者過載的現象[4-6]. 刮板輸送機中3個電機的額定功率相同，在該變頻控制系統中，包含3個隔爆型三相異步電動機、有四象限控制功能的礦用變頻器2臺、CANopen通信數據鏈路以及PLC控制器。3臺異步電動機是控制目標，通過PLC控制器獲取、分析刮板輸送機運行時各參數，以CANopen通信方式控制變頻器，進而由變頻器1以及變頻器2分別控制機頭機尾電機，保證機頭電機轉矩與機尾電機轉矩的差值在合理范圍之內。

圖1 刮板輸送機機頭機尾功率平衡結構圖

依據刮板輸送機的負載變化進行機頭機尾電機功率平衡控制，示意圖見圖2，對于機頭電機，當PLC控制器經過邏輯判斷后，機頭電機電流增大，則判斷出負載轉矩增大，需要相應地降低機頭電機轉速，升高機尾電機轉速；當PLC控制器識別出機頭電機電流減少后，則判斷負載轉矩減小，需要相應地升高機頭電機轉速，降低機尾電機轉速；對于機尾電機，當PLC控制器經過邏輯判斷后，機尾電機電流減小，則判斷出負載轉矩增大，需要相應的升高機頭電機轉速，降低機尾電機轉速；當PLC控制器識別出機尾電機增大后，則判斷負載減小，需要相應地降低機頭電機轉速，升高機尾電機轉速。

圖2 依據負載變化的機頭機尾功率平衡控制圖

1.2 CANopen通信設計

PLC控制器與變頻器之間以CANopen通信模式實現數據傳送。設置控制機頭電機的變頻器1的節點地址為0×02，設定控制機尾電機的變頻器2的節點地址為0×03，CANopen通信速率為250 kbps. PLC控制器以SDO配置變頻器參數，以PDO進行實時數據傳送。在CANopen通信系統中，變頻器端配置有4個RPDO、4個TPDO，TPDO用于傳送變頻器的實時數據信息，如變頻器的狀態、模式、直流母線電壓、輸入電流、編碼器的反饋速度等，RPDO用于改變變頻器的控制字、模式、給定轉速、給定轉矩等參數。每個PDO傳送的數據量為8個字節，其參數映射分配表見表1.

由圖1可見，隨著海水濃度的增加，實驗組厚萼凌霄種子的發芽率總體呈下降趨勢：當海水濃度在1%以下時，發芽率下降趨勢較平緩；當海水濃度大于1%時，發芽率下降趨勢顯著。實驗組厚萼凌霄種子發芽率的具體變化為：當海水濃度為1%時，種子發芽率為46.67%，是對照組的93%；在海水濃度為5%時，種子發芽率為36.67%，是對照組的73%；當海水濃度為10%時，種子發芽率為26.67%，是對照組的53%；當海水濃度為20%時，種子發芽率為20.00%，是對照組的40%；當海水濃度為30%時，種子發芽率為13.33%，是對照組的27%；當海水濃度為40%時，種子發芽率為10.00%，是對照組的20%。

2.2.1 千粒重。施用磷肥能增加小麥的千粒重詳見表4，分析可知施用磷肥的小麥千粒重平均為40.3 g，比未施用磷肥的小麥千粒重38.0 g重2.3 g。

PLC控制器與變頻器在進行CANopen通信時，PLC控制器通過發送0×6021的控制器、0×6022的模式、0×6030的給定轉速以及0×6031的給定轉矩來控制變頻器進入對應的狀態，并進行轉速或者轉矩控制。同時，變頻器將當前的狀態信息以及運行過程中的各個參數信息以TPDO的形式傳送給PLC控制器，如0×3021的狀態信息、0×4021的錯誤代碼。

刮板輸送機機頭機尾功率平衡CANopen通信的軟件流程見圖3，首先需要完成變頻器與CANopen通信模塊的參數初始化，具體包括變頻器節點的設置、CANopen通信速率的設置以及軟件程序中用到的變量、定時器、計數器以及內存空間的初始化。接著需要配置CANopen通信模塊的PDO變量映射，參考表1. 完成PDO變量映射配置后，創建PSOD數據的讀寫指令塊，Swap指令轉換PDO原始數據。PLC控制器發送0×6021控制字切換變頻器至允許運行狀態，可通過變頻器返回的0×3021狀態字進行確認。當變頻器處于允許運行狀態后，啟動變頻器運行。需要通過變頻器返回的0×4021判斷當前狀態變頻器是否有故障，如果有故障，則停止變頻器運行，結束CANopen通信過程。如果變頻器無故障，則PLC控制器采集并比較刮板輸送機機頭、機尾電機的實時轉矩，使得二者實時轉矩的差值保持在一定范圍之內。當差值超出該范圍后，通過調節機頭、機尾電機的轉速實現機頭、機尾電機的功率平衡。

表1 CANopen通信中PDO變量參數映射分配表

圖3 刮板輸送機機頭機尾功率平衡CANopen通信設計圖

2 HMI人機界面

基于CANopen的刮板輸送機變頻控制方案的HMI人機界面以威倫通的eMT3070B人機界面為平臺實現。在該HMI人機界面中，實時顯示機頭電機、機尾電機的狀態、轉速等參數，實時顯示變頻器的通信狀態、控制字、狀態、運行模式、故障代碼等重要參數，方便技術人員掌握變頻器的運行情況。另外，針對該變頻控制系統的各個故障信息，當系統出現故障時，不僅有故障提示，而且會提示解決該故障的基本方法，使得故障能夠及時、快速地解決，保證刮板輸送機的穩定、連續運行。刮板輸送機變頻控制系統HMI人機界面見圖4.

可我爹就是不同意只給人家三個蛋，雖說村委會借了債，可你打了窯置下固定資產呀。我父親一直努嘴，要求在床上加個蛋。兩人僵持著，實在拗不過老人家，眼看他又像水碓舂米樣舂瞌，馬上就會昏昏沉睡，李打油這才從籃子里抓出一個蛋，猶豫了好一會兒，終于痛下決心，發狠樣在桌邊一磕，手一扒，讓蛋白蛋黃一分為二分別流進了兩只茶杯。那一刻，我突然有流淚的感覺。

圖4 刮板輸送機變頻控制系統HMI人機界面圖

3 結 語

刮板輸送機是煤礦綜采工作面重要的動力輸送設備，其安全、穩定、連續運行是提高綜采工作面生產效率的重要保障。目前，越來越多的刮板輸送機采用雙端驅動方式，機頭、機尾電機的功率平衡成為亟待解決的問題。設計基于CANopen通信的刮板輸送機變頻控制系統，通過變頻器調節機頭、機尾電機的轉速，保證其轉矩差處于合理區間，保證機頭機尾電機不發生欠載、超載的現象，提高了刮板輸送機的工作效率和使用壽命。