綜采工作面刮板輸送機變頻控制系統研究

王哲興

（古城煤礦機電科，山西 長治 046108）

引言

刮板輸送機不僅用于采面煤炭運輸，而且為采煤機往返移動以及液壓支架移動提供支撐。受到煤層賦存地質條件、割煤速度等影響，刮板機在重載、輕載以及空載等工況間相互轉換[1-2]。當刮板輸送機重載直接啟動時，電機電流會遠超額定工作電流，不僅容易導致保護誤動作，而且會對刮板輸送機驅動裝置中的鏈輪傳動機構有較大的機械沖擊[3]。因此，為了確保刮板輸送機在各種工況下均可平穩啟動，一般通過采用液力耦合器、雙速電機、變頻控制器以及CST 軟啟動裝置等相互配合實現刮板輸送機軟啟動，并通過變頻控制系統控制刮板輸送機運行，變頻控制系統對刮板輸送機運行可靠性及運行效率有顯著影響[4-5]。而現階段綜采工作面刮板輸送機變頻控制系統往往存在操作繁瑣、人機界面復雜以及經濟性不高等問題[6]。為此，文中提出一種基于S7-1500PLC的變頻控制系統，該系統不僅可實現多機驅動功率平穩，而且可優化刮板輸送機運行負載，操作界面相對簡單，可在一定程度上提高刮板輸送機運行效率及可靠性。

1 工程概況

山西某礦5603 綜放工作面開采6 號厚度3.5～6.8 m，煤層賦存不穩定，采高2.8 m，刮板輸送機型號為SGB-630/2×150。在采面開采時刮板輸送機運輸的煤炭量變化較大，時長出現重載停機問題，給采面正常煤炭運輸帶來一定的影響。具體采用使用的SGB-630/150 刮板輸送機結構見圖1，主要結構包括有機頭及機尾鏈輪、刮板鏈、溜槽、異步電機、聯軸器、減速器等。在機頭、機尾各布置一臺異步電機，使用減速器、聯軸器拖動鏈輪工作，帶動溜槽內刮板鏈運轉，實現煤炭運輸，具體刮板輸送機驅動系統參數見表1。

圖1 刮板輸送機結構

表1 驅動裝置設備參數

受煤層厚度變化等因素影響，刮板輸送機在重載、輕載以及空載等條件下啟動、制動時，會對刮板輸送機機頭、機尾異步電機功率平衡、刮板鏈張力等有較大影響。如何確保5603 綜放工作面內刮板輸送機在各種工況刮板鏈均有足夠張力以及平穩啟動，是確保采面高效生產需要解決的現實問題。

2 刮板輸送機變頻控制分析

為了實現機頭、機尾異步電機功率平衡，需要分析異步電機機械特性，具體如下頁圖2 所示。異步電機轉速n=f/p，當極對數p 保持不變時，通過控制電機輸入電流頻率f 可調整電機轉速n。刮板輸送機一般按照機尾、機頭順序啟動，啟動時機頭、機尾間保持較小的功率差值，可有效降低刮板鏈張力[7]。

圖2 異步電機機械特性

通過變頻技術對機尾、機頭電動運行進行控制，具體為輸送機機頭、機尾電動機電流輸入頻率保持一致，從而使得輸送機在不同負載下均可平穩啟動。為了避免輸送機在啟動時出現斷鏈、卡鏈等故障，機頭轉速調整以機尾轉速為依據。

3 變頻控制系統設計

3.1 控制系統硬件結構

根據采面刮板輸送機變頻控制需要，提出將西門子S7-1500PLC 作為機載控制器，采用工業以太網與ET200SP 從站（分布式模塊）、上位機等進行信息通信，具體結構見圖3。ET200SP 從站相對于傳統的PLC 監控分站具有成本更低、可靠性更強等優點。

圖3 控制系統硬件結構

S7-1500PLC 可擴展串聯通信、ET200MP 信號模塊以及PROFIBUS 通信模塊，從而為后續的刮板輸送機智能化改造提供基礎；ET200SP 從站監測刮板輸送機機頭、機尾電動機、刮板鏈張緊以及變頻器等設備運行。

3.2 控制系統電路與控制流程

驅動裝置變頻器為交-直-交高壓變頻器，主電路拓撲結構見圖4 所示。刮板輸送機動力源為6 kV 移動變電站，供電線路接入到移相隔離變壓器，原邊Y型輸入，副邊為△型、Y型2 路輸出，輸出電流相位偏移30°、電壓1.7 kV。采用的交-直-交高壓變頻器額定電流、功率分別為336 A、1 600 kW，輸出電流、電壓以及電流頻率分別為360 A、3.3 kV以及5～50 Hz。移相隔離變壓器分兩路接入到整流橋，從而降低供電電流中的高次諧波，經整流橋整流后的電流通過隔離保護、中間直流濾波后輸入至IGCT 逆變橋，通過LC 正弦濾波進一步降低電流中諧波成分，最后電流輸入到機尾、機頭電機，控制刮板輸送機運行。

圖4 主電路拓撲結構

S7-1500PLC 使用Modbus 方式控制變頻器中IGCT 逆變橋運行，因此IGCT 逆變橋控制器應選擇使用RS-485 通信接口；S7-1500PLC 與變頻器間采用Modbus 主、叢通信方式，通過16 位CRC 確保PLC 與刮板輸送機機頭、機變頻器通信、控制指令的可靠性及精準性。

為了確保輸送機機尾、機頭電機在各種負載啟動條件下均可實現功率平衡，降低對刮板鏈沖擊，機尾、機頭電動機使用不同基準進行變頻器控制，具體控制流程見圖5。機尾異步電機先啟動并由負載決定機尾變頻器輸出電流頻率，異步電機實際輸出轉矩采用Modbus 方式反饋到變頻控制系統S7-1500PLC；機尾異步電機平穩啟動后機頭異步電機開始啟動，S7-1500PLC 通過Modbus 方式控制向機頭變頻器輸出機尾電流頻率及異步電機轉矩。當鏈條張緊控制裝置反饋需要對刮板鏈張緊時，表明機尾、機頭異步電機間功率已基本平衡，刮板輸送機已實現平穩啟動。

圖5 控制流程

3.3 控制系統控制程序

變頻控制系統控制程序采用TIA Portal V15.1構建，采用TIA Step7 模塊設計PLC 控制程序、TIA WinCC 模塊設計人機交互界面。

PLC 控制程序包括有初始化程序、變頻控制程序、張緊控制程序、變頻器水冷控制程序以及預警程序等。在主程序（OB1）在執行前，PLC 中的CPU1515-2PN 先調用初始化程序（OB100）對系統進行初始化處理，后在主程序（OB1）中循環調用機尾變頻（FC2）、機尾變頻（FC3）、刮板鏈張緊（FC4）、變頻器水冷（FC2）等控制程序。若PLC 構架或者ET200SP 存在有I/O 故障時，主程序調用預警程序（OB80～O84），通過上位機人機操作界面顯示預警信息。相對于傳統的S7-300/400PLC，文中采用的S7-1500PLC 內置的CPU 模塊具備輸出狀態、I/O 狀態指示，并與預警程序相互配合大幅提升PLC 控制器的可靠性。

上位機人機交互界面可實現遠程管理S7-1500PLC 運行，從而便于技術人員遠程對機載PLC 安全值設定以及運行控制提供便利。同時在人機交互界面上可實時顯示刮板鏈張緊狀態、機頭以及機尾驅動裝置運行狀態，實時顯示動力裝置電壓、電流以及頻率等安全值以及實時值。

4 結語

高壓防爆變頻器應用到綜采工作面刮板輸送機變頻控制中，可為機頭、機尾異步電機平穩啟動以及可靠運行提供良好基礎。但是現實應用過程中受到刮板輸送機運行工況復雜影響，驅動電機功率平衡較為困難，往往存在刮板鏈張力異常問題。運用基于S7-1500PLC的變頻控制系統對刮板輸送機各位置進行監控，不僅可實現刮板輸送機多電機功率平衡，而且可在上位機上實時顯示刮板輸送機各位置運行參數。