刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

趙廣昊

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機(jī)作為我國(guó)重要的機(jī)械設(shè)備，其工作性能對(duì)于煤礦資源的開(kāi)采十分重要，在我國(guó)傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)電控系統(tǒng)中，啟動(dòng)困難、機(jī)械損耗嚴(yán)重等問(wèn)題嚴(yán)重影響著礦井的高效開(kāi)采[1-2]，所以提升刮板輸送機(jī)自動(dòng)化及智能化水平是我國(guó)礦井機(jī)械發(fā)展的大勢(shì)所趨，此前較多學(xué)者對(duì)刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)研究，郅富標(biāo)等人[3-4]為了解決機(jī)頭、機(jī)尾雙電機(jī)刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電流過(guò)大而造成的電動(dòng)機(jī)損耗的問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)的功率平衡，同時(shí)通過(guò)仿真驗(yàn)證了優(yōu)化系統(tǒng)的可行性，有效保障了電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文在原有的驅(qū)動(dòng)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 變頻驅(qū)動(dòng)原理

刮板輸送機(jī)作為重要的礦井機(jī)械設(shè)備，主要是由機(jī)頭、中部槽、機(jī)尾、刮板鏈、刮板及減速器等組合而成。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，刮板輸送機(jī)的機(jī)頭與機(jī)尾電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈條使得中部槽進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使得煤礦運(yùn)載至破碎機(jī)，直至運(yùn)輸至井上。在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)頭機(jī)尾均為驅(qū)動(dòng)部件，所以需要兩者功率達(dá)到平衡，避免出現(xiàn)由于不平衡現(xiàn)象造成的機(jī)械構(gòu)件損傷。同時(shí)在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中由于礦井環(huán)境較為惡劣，使得其部件極易造成沖擊損耗，所以實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)合理平穩(wěn)是設(shè)計(jì)目標(biāo)。

刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式一般分為液力耦合驅(qū)動(dòng)、變頻驅(qū)動(dòng)、CST可控驅(qū)動(dòng)三種，綜合實(shí)際情況及三種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)后選定變頻驅(qū)動(dòng)。變頻驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制器對(duì)變頻器發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)變頻控制電動(dòng)機(jī)的目的。變頻驅(qū)動(dòng)可以有效解決滿載及帶載啟動(dòng)引起的電流沖擊，實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、兩相不平衡等保護(hù)。

變頻控制采用電流平均值的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。i1和i2分別為刮板輸送機(jī)機(jī)頭與機(jī)尾電機(jī)定子電流，其能夠直接反映相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化情況，同時(shí)通過(guò)額定值與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率平衡。同時(shí)電流平均值的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不僅能夠保證機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率平衡，同時(shí)能夠保證刮板輸送機(jī)按給定速度曲線啟動(dòng)。

圖1 電流平均值的功率控制系統(tǒng)

對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)首先需要對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心為選定控制器，本文選定DX-MA01控制器為變頻驅(qū)動(dòng)的核心控制器，控制器采用TC1796 32位CPU，內(nèi)存為4Mbyte+80Mbyte，控制器的輸入輸出、信號(hào)端口均具備擴(kuò)展功能。

Canopen通訊模塊作為控制器與變頻器間的數(shù)據(jù)載體，PLC控制器將控制命令通過(guò)Canopen通訊模塊傳輸至變頻器，從而實(shí)現(xiàn)PLC智能控制，同時(shí)變頻器將自身運(yùn)行信息以信號(hào)的方式通過(guò)Canopen傳輸至PLC控制器，控制器通過(guò)邏輯分析確定變頻器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的偏差，從而反作用于變頻器，雙重保證實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)的功率平衡。Canopen通訊的變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)圖2所示。

圖2 Canopen通訊的變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Canopen通訊流程運(yùn)行首先需要對(duì)變頻器和通訊模塊進(jìn)行初始化，將通訊模塊的PDO變量映射進(jìn)行配置，隨后對(duì)PDO變量映射數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建讀寫(xiě)指令塊，后經(jīng)過(guò)Swap對(duì)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，此時(shí)輸出變頻器的運(yùn)行指令，啟動(dòng)變頻器，當(dāng)變頻器發(fā)現(xiàn)存在故障時(shí)，立即停止變頻器的運(yùn)行并進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警，當(dāng)變頻器無(wú)故障信息時(shí)，此時(shí)對(duì)刮板輸送機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)比兩者的偏差進(jìn)行機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)的功率調(diào)節(jié)，當(dāng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)頻率相互匹配后，停止變頻器的運(yùn)行，Canopen通訊流程示意圖如圖3所示。

圖3 Canopen通訊流程示意圖

2 變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

PLC控制器發(fā)出指令后變頻器狀態(tài)發(fā)生變換，此時(shí)電機(jī)跳轉(zhuǎn)至給定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運(yùn)行，為了保障變頻器的穩(wěn)定跳轉(zhuǎn)及可靠運(yùn)行，所以對(duì)變頻控制設(shè)備狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要針對(duì)牽引啟動(dòng)、停止及故障，過(guò)程機(jī)的急停、就緒等。當(dāng)變頻器通電后其初始狀態(tài)為牽引停止，此時(shí)過(guò)程機(jī)為變頻停止，后經(jīng)變頻器換化為牽引運(yùn)行時(shí)，過(guò)程機(jī)轉(zhuǎn)為變頻就緒狀態(tài)。當(dāng)變頻器為牽引停止時(shí)，此時(shí)的無(wú)故障情況下變頻器按給計(jì)劃轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運(yùn)行，此時(shí)控制器發(fā)送數(shù)值1，變頻器跳轉(zhuǎn)至牽引運(yùn)行，過(guò)程機(jī)處于就緒狀態(tài)，此時(shí)控制器發(fā)出控制指令2，此時(shí)變頻器處于變頻器模式狀態(tài)，控制器發(fā)出3后變頻器對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)控制器發(fā)出4指令后，此時(shí)變頻器為準(zhǔn)備運(yùn)行階段，此時(shí)只要給出運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，變頻器將會(huì)發(fā)生運(yùn)行。變頻器的狀態(tài)控制參數(shù)如表1所示。PLC控制器的發(fā)送控制字分別有1、2、3、4，分別對(duì)應(yīng)返回狀態(tài)參數(shù)急停、可啟動(dòng)、啟動(dòng)、接收速度，而對(duì)應(yīng)的返回狀態(tài)字分別為故障、空閑、準(zhǔn)備好、操作使能和可運(yùn)行、對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中加入流量保護(hù)、水壓保護(hù)、水溫保護(hù)、接地保護(hù)、漏電閉鎖保護(hù)、風(fēng)扇保護(hù)、變頻器故障及啟動(dòng)保護(hù)、通訊保護(hù)等。在系統(tǒng)中接入相應(yīng)的傳感器，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的問(wèn)題時(shí)，傳感器會(huì)立刻檢測(cè)到信息，通過(guò)通訊系統(tǒng)將信息傳輸至PLC控制器，控制器接收到信息后下達(dá)指令，從而立即啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

表1 變頻器的狀態(tài)控制參數(shù)

利用軟件平臺(tái)對(duì)變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，采用設(shè)計(jì)軟件TwinCAT，利用編程語(yǔ)言進(jìn)行編制，其中刮板輸送機(jī)啟動(dòng)平衡軟件的控制流程如圖4所示。從圖4可看出，當(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾的電流信號(hào)，將電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)機(jī)頭電流較大時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)情況對(duì)機(jī)頭的電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)機(jī)尾的電流過(guò)大時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)對(duì)機(jī)尾電機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)整。

圖4 啟動(dòng)平衡軟件的控制流程

3 結(jié)論

1）在對(duì)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用電流平均值控制轉(zhuǎn)矩的方法實(shí)現(xiàn)了控制機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率的目標(biāo)，同時(shí)將控制器與變頻器間的通訊方式優(yōu)化為Canopen模式，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的有效保護(hù)。

2）優(yōu)化后的刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅運(yùn)行平穩(wěn)，而且可有效降低刮板機(jī)的能量消耗。