電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案設計

趙云平

（西山煤電集團有限責任公司官地煤礦運輸區，太原 032200）

0 引言

煤礦井下用采煤機技術主要為液壓牽引式和電牽引式兩種模式，由于液壓牽引式采煤機在實際使用中存在局限性，同時無法滿足采煤機高效率、低能耗的要求，電牽引式采煤機逐漸占據主導地位[1]。電驅型采煤機的變頻牽引系統、變頻截割系統逐漸成為研究熱點。德國Eickhoff、美國JOY、英國Long-Airdox以及日本三井三池等公司相繼推出電牽引采煤機機型，如Eickhoff的SL300、SL400以及SL500；JOY的4LS、6LS以及 7LS；Long-Airdox推出的 Electra550、Electra1000；三井三池的MCLE500-DR101101、MCLE600-DR10210等。國外電驅型采煤機具有牽引力大、截割功率高、數據傳輸穩定、響應速度快、具有在線監控等諸多優點[2-3]。國內各煤機生產單位在借鑒國外先進技術的基礎上，相繼開發出具有自主知識產權的電驅型采煤機，典型的有上海天地生產的MG1000/2540-GWD、雞西煤機生產的MG900-2310-WD、西安煤機生產的MG10002550-GWD以及三一重工生產的MG700-1740等。上述電驅型采煤機的采高為2.24～7.0 m、裝機功率為1 740～2 760 kW、截割功率為2×700～2×1 100 kW、牽引功率為2×90～2×150 kW，均采用交流變頻調速方式[4-5]。為適應截割煤壁工況，將采煤機截割部采用變頻控制技術，根據煤壁工況實時調節截割滾筒的速度，達到節能降耗，延長截割滾筒機械部件使用壽命的目的。

1 系統設計

圖1 電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案系統設計

電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案系統設計如圖1所示，由PLC控制器為核心部件，以CAN總線通信模式與變頻器進行通信，完成對采煤機截割電動機的變頻控制，進而可根據工況實時調節采煤機截割滾筒的截割速度，達到節能降耗的目的，減小截割滾筒的機械損耗。為完成對截割滾筒的變頻控制，PLC控制器需擴展模擬輸入量，如截割電機溫度、截割電機電流、系統電壓、搖臂傾角等，PLC控制器每隔300 ms對上述模擬量進行采集，并經A/D轉換后對截割滾筒的轉速以及動作進行邏輯控制；PLC控制器擴展數字量輸入模塊，用于采集截割電機漏電流節點、開啟/停止截割電機節點、瓦斯斷電信號節點、語音報警節點等，用于保護截割電動機，延長截割電動機的使用壽命；PLC控制器擴展數字量輸出模塊，用于完成對截割臂升降、聯動、制動以及急?？刂疲瓿蓪馗铍妱訖C的左、右截割動作的控制；PLC控制器擴展CAN通信口，與變頻器進行CAN通信，將控制指令以CAN總線模式發送給變頻器，進而由變頻器控制截割電機的啟動、停止、加速、減速等。另外，采煤機截割滾筒變頻控制方案還外接遙控器、液晶顯示屏以及鍵盤，方便工作人員的遙控操作并及時掌握采煤機截割系統的運行狀態。

2 硬件設計

該電牽引采煤機的截割功率為120 kW，考慮1.2倍設計余量，選擇變頻器的額定功率為144 kW。選擇ABB公司生產的型號為ACS800-04-269-05的變頻器，其額定電壓為500 V，額定功率為160 kW，滿足系統設計要求[6]。選擇變壓器時需考慮該電牽引采煤機的額定供電電壓為460 V，因此變壓器的變比為3 300/460 V；變壓器的最小容量為2×160 kW×100%kVA，即為320 kVA，因此選擇變壓器的容量為350 kVA。溫度、壓力、電流以及油位等模擬量輸入信號統一為4～20 mA的電流信號，精度應不小于1%，采集周期為300 ms。遙控器和鍵盤輸入信號的響應時間應不小于0.1 s。CAN總線通信數據傳輸波特率要求最低為250 kb/s，傳輸距離需大于100 m[7]。PLC控制器選用PCS7-400型西門子控制器，該控制器穩定性好、邏輯處理能力強、運算速度高，且配置有CAN/CanOpen/Profibus-DP數據通信模式，可方便擴展數字、模擬量接口，符合采煤機截割滾筒變頻控制方案設計要求。表1所示為電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案PLC控制器I/O部分地址分配統計表。

表1 PLC控制器I/O地址分配(部分)

3 軟件設計

基于西門子PCS7-400控制器軟件開發平臺，根據采煤機截割滾筒變頻控制方案要求，完成PLC軟件程序設計。電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案軟件流程如圖2所示，系統完成上電以及自檢過程后，如果有故障，則發出故障報警信息并結束運行，待故障解決后重新上電自檢。如果系統無故障，則建立PLC控制器與變頻器的CAN通信連接，需注意CAN通信雙方的CAN通信端口、波特率、COBID以及校驗方式等參數設置需完全一致，否則CAN通信連接無法成功建立。CAN通信連接建立成功后，PLC控制器根據與變頻器約定好的CAN總線通信協議，發送啟動命令、運行模式、最高轉速上限等控制指令，使得變頻器啟動并達到可運行狀態。變頻器達到可運行狀態后，會根據PLC控制器給定的目標轉速值開始運行并驅動截割電動機按照目標轉速值轉動。當采煤機司機根據實際工況需要減少轉速時，按下“減速”按鈕，PLC控制器將修正后的“目標轉速”發送給變頻器，進而使得截割電動機按照修訂后的“目標轉速”值運行；當采煤機司機需要增加轉速時，按下“加速”按鈕，PLC控制器將修正后增加的“目標轉速”發送給變頻器。圖2所示為采煤機截割滾筒變頻控制系統一個循環周期的軟件流程，該流程的循環周期為20 ms。

圖2 電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案軟件流程

4 應用情況

設計并實現的電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案在某礦綜掘工作面進行6個月工業性試驗，采煤機日工作14～16 h，以年工作日300計算，年耗電量W1=288 000 kW·h。

根據原采煤機運行數據統計顯示，原采煤機年耗電量35 0000～400 000 kW·h，則年節約耗電最小值為62 000 kW·h。另外，在6個月的工業試驗中，采煤機截割滾筒以及各機械部件完好，沒有過度磨損或者損壞的現象。

5 結束語

將變頻控制技術應用于電牽引采煤機截割滾筒的控制，使得采煤機截割滾筒能夠根據煤壁工況自動調節截割速度，降低了截割滾筒的機械磨損，延長了使用壽命，同時達到節能降耗的目的，具有較好的經濟價值和推廣意義。