刮板輸送機變頻驅動系統研究

趙廣昊

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機作為我國重要的機械設備，其工作性能對于煤礦資源的開采十分重要，在我國傳統的刮板輸送機電控系統中，啟動困難、機械損耗嚴重等問題嚴重影響著礦井的高效開采[1-2]，所以提升刮板輸送機自動化及智能化水平是我國礦井機械發展的大勢所趨，此前較多學者對刮板輸送機的驅動系統進行過研究，郅富標等人[3-4]為了解決機頭、機尾雙電機刮板輸送機運行過程中電流過大而造成的電動機損耗的問題，通過系統優化實現了刮板輸送機的功率平衡，同時通過仿真驗證了優化系統的可行性，有效保障了電動機的穩定運行。本文在原有的驅動方案基礎上進行優化設計。

1 變頻驅動原理

刮板輸送機作為重要的礦井機械設備，主要是由機頭、中部槽、機尾、刮板鏈、刮板及減速器等組合而成。在實際運行過程中，刮板輸送機的機頭與機尾電機通過驅動鏈條使得中部槽進行運動，使得煤礦運載至破碎機，直至運輸至井上。在運行過程中，機頭機尾均為驅動部件，所以需要兩者功率達到平衡，避免出現由于不平衡現象造成的機械構件損傷。同時在刮板輸送機運行過程中由于礦井環境較為惡劣，使得其部件極易造成沖擊損耗，所以實現刮板輸送機驅動合理平穩是設計目標。

刮板輸送機的驅動方式一般分為液力耦合驅動、變頻驅動、CST可控驅動三種，綜合實際情況及三種驅動的優缺點后選定變頻驅動。變頻驅動是通過控制器對變頻器發出控制指令，從而實現變頻控制電動機的目的。變頻驅動可以有效解決滿載及帶載啟動引起的電流沖擊，實現過流、過壓、兩相不平衡等保護。

變頻控制采用電流平均值的直接轉矩控制系統，系統的結構圖如圖1所示。i1和i2分別為刮板輸送機機頭與機尾電機定子電流，其能夠直接反映相應的負載轉矩變化情況，同時通過額定值與負載轉矩的差值進行電動機轉速的調節，以此來實現機頭機尾電機功率平衡。同時電流平均值的直接轉矩控制系統不僅能夠保證機頭機尾電機功率平衡，同時能夠保證刮板輸送機按給定速度曲線啟動。

圖1 電流平均值的功率控制系統

對變頻驅動方案進行設計首先需要對PLC控制系統進行設計，控制系統的設計核心為選定控制器，本文選定DX-MA01控制器為變頻驅動的核心控制器，控制器采用TC1796 32位CPU，內存為4Mbyte+80Mbyte，控制器的輸入輸出、信號端口均具備擴展功能。

Canopen通訊模塊作為控制器與變頻器間的數據載體，PLC控制器將控制命令通過Canopen通訊模塊傳輸至變頻器，從而實現PLC智能控制，同時變頻器將自身運行信息以信號的方式通過Canopen傳輸至PLC控制器，控制器通過邏輯分析確定變頻器實際運行狀態的偏差，從而反作用于變頻器，雙重保證實現機頭機尾電機的功率平衡。Canopen通訊的變頻驅動控制系統結構示意圖如下頁圖2所示。

圖2 Canopen通訊的變頻驅動控制系統結構示意圖

Canopen通訊流程運行首先需要對變頻器和通訊模塊進行初始化，將通訊模塊的PDO變量映射進行配置，隨后對PDO變量映射數據進行創建讀寫指令塊，后經過Swap對指令進行數據的轉換，此時輸出變頻器的運行指令，啟動變頻器，當變頻器發現存在故障時，立即停止變頻器的運行并進行及時的報警，當變頻器無故障信息時，此時對刮板輸送機的機頭機尾電動機的運行參數如轉矩等進行采集，通過對比兩者的偏差進行機頭機尾電機的功率調節，當刮板輸送機機頭機尾電機頻率相互匹配后，停止變頻器的運行，Canopen通訊流程示意圖如圖3所示。

圖3 Canopen通訊流程示意圖

2 變頻驅動設計

PLC控制器發出指令后變頻器狀態發生變換，此時電機跳轉至給定轉矩進行運行，為了保障變頻器的穩定跳轉及可靠運行，所以對變頻控制設備狀態機進行設計，主要針對牽引啟動、停止及故障，過程機的急停、就緒等。當變頻器通電后其初始狀態為牽引停止，此時過程機為變頻停止，后經變頻器換化為牽引運行時，過程機轉為變頻就緒狀態。當變頻器為牽引停止時，此時的無故障情況下變頻器按給計劃轉矩進行運行，此時控制器發送數值1，變頻器跳轉至牽引運行，過程機處于就緒狀態，此時控制器發出控制指令2，此時變頻器處于變頻器模式狀態，控制器發出3后變頻器對運行參數進行校驗，當控制器發出4指令后，此時變頻器為準備運行階段，此時只要給出運行轉矩，變頻器將會發生運行。變頻器的狀態控制參數如表1所示。PLC控制器的發送控制字分別有1、2、3、4，分別對應返回狀態參數急停、可啟動、啟動、接收速度，而對應的返回狀態字分別為故障、空閑、準備好、操作使能和可運行、對變頻驅動系統進行保護設計，在系統中加入流量保護、水壓保護、水溫保護、接地保護、漏電閉鎖保護、風扇保護、變頻器故障及啟動保護、通訊保護等。在系統中接入相應的傳感器，當出現危險系統正常運行的問題時，傳感器會立刻檢測到信息，通過通訊系統將信息傳輸至PLC控制器，控制器接收到信息后下達指令，從而立即啟動相應的保護裝置，實現變頻驅動系統的穩定、安全運行。

表1 變頻器的狀態控制參數

利用軟件平臺對變頻器驅動系統進行實現，采用設計軟件TwinCAT，利用編程語言進行編制，其中刮板輸送機啟動平衡軟件的控制流程如圖4所示。從圖4可看出，當系統剛啟動時，此時系統會自動采集輸送機機頭機尾的電流信號，將電流信號進行對比，當機頭電流較大時，此時系統會根據情況對機頭的電機頻率進行調整，當機尾的電流過大時，此時系統會對機尾電機進行頻率調整。

圖4 啟動平衡軟件的控制流程

3 結論

1）在對刮板輸送機驅動系統的優化設計中，采用電流平均值控制轉矩的方法實現了控制機頭機尾電機功率的目標，同時將控制器與變頻器間的通訊方式優化為Canopen模式，實現刮板輸送機的有效保護。

2）優化后的刮板輸送機驅動系統，不僅運行平穩，而且可有效降低刮板機的能量消耗。