刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)探索

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摘要：為了提高刮板輸送機運行可靠性，針對5603綜放工作面使用的SGB-630/2×150刮板輸送機存在電機功率不平衡、刮板鏈張力異常等問題，提出一種變頻控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以S7-1500PLC為核心，使用ET200SP從站對機尾、機頭異步電機、變頻器以及刮板鏈張緊情況進行監(jiān)測，并詳細對該變頻控制系統(tǒng)構(gòu)成、硬件以及軟件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。現(xiàn)場應(yīng)用后，該變頻控制系統(tǒng)上位機可實時對刮板輸送機運行情況進行監(jiān)測，并實現(xiàn)了刮板機多級驅(qū)動功率平衡，取得較為顯著的應(yīng)用成果。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機；變頻器；控制系統(tǒng)；多機驅(qū)動；功率

平衡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(zhì)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(zhuǎn)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(dǎo)致保護誤動作，而且會對刮板輸送機驅(qū)動裝置中的鏈輪傳動機構(gòu)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(wěn)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(xiàn)刮板輸送機軟啟動，并通過變頻控制系統(tǒng)控制刮板輸送機運行，變頻控制系統(tǒng)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(xiàn)階段綜采工作面刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)往往存在操作繁瑣、人機界面復(fù)雜以及經(jīng)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(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)多機驅(qū)動功率平穩(wěn)，而且可優(yōu)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3.5~6.8m，煤層賦存不穩(wěn)定，采高2.8m，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?shù)拿禾苛孔兓^大，時長出現(xiàn)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(jié)構(gòu)見圖1，主要結(jié)構(gòu)包括有機頭及機尾鏈輪、刮板鏈、溜槽、異步電機、聯(lián)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(lián)軸器拖動鏈輪工作，帶動溜槽內(nèi)刮板鏈運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)煤炭運輸，具體刮板輸送機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)見表1。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(nèi)刮板輸送機在各種工況刮板鏈均有足夠張力以及平穩(wěn)啟動，是確保采面高效生產(chǎn)需要解決的現(xiàn)實問題。

2刮板輸送機變頻控制分析

為了實現(xiàn)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(zhuǎn)速n=f/p，當極對數(shù)p保持不變時，通過控制電機輸入電流頻率f可調(diào)整電機轉(zhuǎn)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]。通過變頻技術(shù)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(wěn)啟動。為了避免輸送機在啟動時出現(xiàn)斷鏈、卡鏈等故障，機頭轉(zhuǎn)速調(diào)整以機尾轉(zhuǎn)速為依據(jù)。

3變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)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(yè)以太網(wǎng)與ET200SP從站（分布式模塊）、上位機等進行信息通信，具體結(jié)構(gòu)見圖3。ET200SP從站相對于傳統(tǒng)的PLC監(jiān)控分站具有成本更低、可靠性更強等優(yōu)點。S7-1500PLC可擴展串聯(lián)通信、ET200MP信號模塊以及PROFIBUS通信模塊，從而為后續(xù)的刮板輸送機智能化改造提供基礎(chǔ)；ET200SP從站監(jiān)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(shè)備運行。

3.2控制系統(tǒng)電路與控制流程

驅(qū)動裝置變頻器為交-直-交高壓變頻器，主電路拓撲結(jié)構(gòu)見圖4所示。刮板輸送機動力源為6kV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1.7kV。采用的交-直-交高壓變頻器額定電流、功率分別為336A、1600kW，輸出電流、電壓以及電流頻率分別為360A、3.3kV以及5~50Hz。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(jīng)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。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(yīng)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(xiàn)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(zhuǎn)矩采用Modbus方式反饋到變頻控制系統(tǒng)S7-1500PLC；機尾異步電機平穩(wěn)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(zhuǎn)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(xiàn)平穩(wěn)啟動。

3.3控制系統(tǒng)控制程序

變頻控制系統(tǒng)控制程序采用TIAPortalV15.1構(gòu)建，采用TIAStep7模塊設(shè)計PLC控制程序、TIAWinCC模塊設(shè)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(yù)警程序等。在主程序（OB1）在執(zhí)行前，PLC中的CPU1515-2PN先調(diào)用初始化程序（OB100）對系統(tǒng)進行初始化處理，后在主程序（OB1）中循環(huán)調(diào)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(gòu)架或者ET200SP存在有I/O故障時，主程序調(diào)用預(yù)警程序（OB80~O84），通過上位機人機操作界面顯示預(yù)警信息。相對于傳統(tǒng)的S7-300/400PLC，文中采用的S7-1500PLC內(nèi)置的CPU模塊具備輸出狀態(tài)、I/O狀態(tài)指示，并與預(yù)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(xiàn)遠程管理S7-1500PLC運行，從而便于技術(shù)人員遠程對機載PLC安全值設(shè)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(tài)、機頭以及機尾驅(qū)動裝置運行狀態(tài)，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(jié)語

高壓防爆變頻器應(yīng)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(wěn)啟動以及可靠運行提供良好基礎(chǔ)。但是現(xiàn)實應(yīng)用過程中受到刮板輸送機運行工況復(fù)雜影響，驅(qū)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(tǒng)對刮板輸送機各位置進行監(jiān)控，不僅可實現(xiàn)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(shù)。

參考文獻

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[6]鄭鵬.綜采工作面刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究[J].山西冶金，2018，41（6）：73-74；92.

[7]陳濤.綜采工作面刮板輸送機防爆變頻智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].煤礦機電，2017（6）：45-47.

作者：王哲興 單位：古城煤礦機電科