基于ACS880變頻器XD2D主從功能的采煤機牽引調速系統設計

陳鵬，黎青

(天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 201808)

0 引言

增大采煤機的功率， 有利于提高采煤機的機械安全裕度，增大其適應范圍[1]。大裝機功率意味著大的牽引功率，無論是極薄煤層還是特厚煤層，都要求采煤機牽引調速系統功率密度大、尺寸小、抗振性能高、可靠性強。采煤機牽引調速系統通常采用一臺變頻器拖動一臺牽引電動機的“一拖一”方式，兩臺變頻器分別設置成主機和從機。“一拖一”方式比“一拖二”方式優點更突出，能精確控制每一臺牽引電動機，控制精度高，牽引系統的控制和保護性能更完善。“一拖二”方式的變頻器由于沒有兩臺電動機的負荷平衡控制，選型時為防止電動機過載，裕量要留得比較大，不利于成本控制。

由于煤礦井下工況環境復雜多變，采煤機牽引力不足往往是影響煤礦正常生產的嚴重問題。在“一拖一”控制方式下，兩臺電動機的負荷平衡控制至關重要，如果控制不好，兩臺電動機出力不一致，動態響應跟不上，容易導致單臺電動機過載，嚴重時會燒毀電動機。通常情況下，采煤機牽引電動機負荷平衡控制通常使用變頻器主從功能，典型的應用是采用ABB公司ACS800變頻器的主從功能。

ACS800變頻器主從鏈路采用光纖通信介質，光纖在采煤機牽引調速系統上應用時，受機械強度差、彎曲半徑小、光纖頭井下易受污染等條件限制，可靠性和維修便捷性都不甚理想。本文采用ACS880變頻器XD2D主從功能設計采煤機牽引調速系統，采用普通屏蔽雙絞線有效地解決了這一問題，具有控制精度高、成本低、可靠性高、維護簡單的優點。

1 ACS880的XD2D方式的主從控制功能

1.1 ACS880 XD2D的主從功能

ACS880變頻器連接起來組成主從鏈路，可以使用光纖電纜，但需要一個額外的FDCO通信模塊，也可以使用XD2D端子之間的屏蔽雙絞線電纜。XD2D連接方式的原理如圖1所示，變頻器與變頻器通信間鏈路是一個RS-485總線傳輸的環網，允許一臺主機和多臺從機的基本主從通信。變頻器設置終端電阻，可提高通信信號質量。

圖1 ACS880 XD2D主從電纜接線方式原理圖

1.2 ACS880 XD2D的主從優勢

ACS880的XD2D主從與ACS800主從功能的比較見表1。如表1所示，XD2D方式允許鏈路的最大長度為50 m，主機和從機之間傳輸給定值最大延遲小于5 ms，傳輸速率達4 Mbit/s，高于ACS800變頻器采用光纖主從時的性能。XD2D最大優勢是采用普通屏蔽雙絞線，避免光纖井下應用時的可靠性和維護困難問題。ACS880的XD2D主從功能通信速度高、可靠性高、投資成本低，適用于采煤機牽引調速系統。

2 ACS880的XD2D方式的調速系統硬件設計

ACS880變頻器的主從功能的主機為速度控制，從機為轉矩控制，從機跟隨主機。如圖2所示，圖中采煤機電氣控制系統作為變頻器的上位機，把控制字、速度、轉矩的指令發送到主變頻器。ACS880變頻器配置FSCA-01的RS-485總線適配模塊，滿足Modbus RTU協議。變頻器間的通信采用XD2D端口，其本質是RS-485通信，通信介質采用普通屏蔽雙絞線。

表1 ACS880的XD2D主從與ACS800主從功能的比較

圖2 采煤機牽引調速系統硬件總框圖

3 變頻器XD2D方式的主/從通信參數設置

ABB公司ACS880系列變頻器在XD2D主從應用時，主要針對60組、61組和62組參數設置主機和從機參數。

1) 60.01 主從通信端口。設置為XD2D方式，定義主從通信硬件連接方式。

2) 60.02 主從節點地址。主機設置為1 ，從機設置為2，用于多個從機應用時區分主機監視的從機數據。

3) 60.03 主從模式。默認為未使用，定義變頻器在主從鏈路上的角色。

(1) DDCS主設備。變頻器是主從DDCS鏈路上的主設備，DDCS鏈路由光纖電纜或XD2D方式的屏蔽雙絞線電纜組成。采用XD2D主從控制時，主機應設置為DDCS主設備，上位機的控制指令要發送給這臺變頻器。

(2) DDCS從設備。變頻器是主從DDCS鏈路上的從設備。采用XD2D主從控制時，從機應設置為DDCS從設備，上位機不必向這臺變頻器發控制指令，本臺變頻器的控制指令來自主機。

(3) D2D主設備。變頻器是變頻器間D2D鏈路上的主設備。D2D傳動到傳動的連接需要變頻器包含N8010授權信息，使用ACS880應用編程編程，能夠更靈活的實現變頻器間的數據傳遞。

(4) D2D從設備。變頻器是變頻器間D2D鏈路上的從設備。

(5) DDCS強制。變頻器在主從DDCS鏈路上的角色由其他參數定義。

(6) D2D強制。變頻器在D2D鏈路上的角色由其他參數定義。

4) 60.05 主從硬件連接。定義主從鏈路的拓撲結構，采用XD2D主從方式必須使用星型連接。

5) 60.14 主從從機選擇。該參數僅在主機中設置，定義從哪些從設備讀取數據。主機參數應設置為從設備2。

6) 60.17 從機故障。該參數僅在主機中設置，此處主機參數設置為故障，即從機故障時主機因FF7E故障跳閘。相當于增加啟動互鎖功能，防止從變頻器故障時故障范圍擴大化。

7) 61組 D2D和DDCS發送數據。定義發送到DDCS鏈路的數據。

主機向從機發送的控制指令數據包括控制字、給定值1和給定值2，具體參數設置為：62.01 主從數據1選擇=從機控制字，62.02 主從數據2選擇=實際速度給定值，62.03 主從數據3選擇=轉矩給定值5實際值。

從機向主機發送的狀態數據包括狀態字、狀態值1和狀態值2，具體參數設置為：62.01 主從數據1選擇=狀態字 16位，62.02 主從數據2選擇=狀態字1 16位，62.03 主從數據3選擇=狀態字2 16位。

8) 62組 D2D和DDCS接收數據。定義通過DDCS鏈路接收數據的映射。62.01主/從數據1選擇、62.01主/從數據1選擇和62.01主/從數據1選擇三個參數定義了從機接收到的主機數據的用途，僅需要在從機中設置，具體設置為：62.01=控制字 16位，62.02=給定值1 16位，62.03=給定值2 16位。

9) 19.12 Ext1 控制模式，此參數設置變頻器運行模式，默認為速度，主機設置為速度模式，從機設置為相加。

(1) 速度。速度控制采用的轉矩給定值來自速度給定鏈輸出。從機的速度指令來自主機的速度。主從機的電動機軸采用柔性連接時，可以采用此設置，允許主從機間存在輕微速度差別。

(2) 轉矩。轉矩控制采用的轉矩給定值為轉矩給定鏈輸出。從機的轉矩給定值來自主機的轉矩鏈輸出，適用于主從機的電動機軸為剛性連接，不允許出現速度差。

(3) 最小。轉矩選擇器在速度控制器輸出和轉矩給定值中取值較小的一個。僅在特殊場合下使用。

(4) 最大。轉矩選擇器在速度控制器輸出和轉矩給定值中取值較大的一個。僅在特殊場合下使用。

(5) 相加。轉矩選擇器將速度給定值鏈輸出加到轉矩給定值鏈輸出。變頻器在正常的運行時為轉矩控制，出現速度偏差超過窗口范圍時，視窗控制會使誤差送到速度控制器，通過速度控制器的輸出引起速度升高或降低，以增加或減少內部轉矩給定值。采用相加選項和視窗控制一起使在轉矩控制模式下的從機形成了一種速度監視功能[2]，同時保證了從機跟隨主機的動態響應性能。對于采煤機牽引調速系統而言，兩牽引電機間不同于完全的剛性連接，允許微小的速度差，因此從機參數宜采用相加設置。

10) 24.41 速度誤差窗口控制方式。允許或者禁用速度誤差窗口控制，使變頻器具備轉矩控制的速度監測功能。速度誤差窗口控制僅在相加模式激活 時，或在變頻器為從機速度控制時有效。從機應允許速度誤差窗口控制。同時設置24.43速度誤差窗口控制上限=40 r/min，速度誤差窗口控制下限=40 r/min。

11) 20.01 Ext1 命令。選擇外部控制地1的啟動、停止和方向命名源。主機設置為現場總線A，配置FSCA-01模塊；從機設置為主從連接，即控制指令來自主從鏈路上的主機。

12) 從機給定源選擇，采用XD2D主從功能的從機，需要設置：22.11 速度給定1選擇=主從給定值1，26.11 轉矩給定1選擇=主從給定值2。

4 結論

基于ACS880變頻器的XD2D功能，對采煤機牽引調速系統負荷分配提出了新的方法，此方法響應速度快、控制精度高、投資成本低、可靠性高、維護簡單。煤礦井下工業性試驗表明，該系統運行效果良好，具有一定的推廣價值。