排土機ACS880變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計

馬 兵，薛春蘭

(1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

隨著大型露天礦開采工藝的不斷進步，建設節(jié)能高效、綠色環(huán)保、智能化的礦山是國際發(fā)展趨勢。近年來，被國際采礦界公認的“最有生命力”半連續(xù)開采工藝在我國露天礦中得到了較大的發(fā)展，排土機作為“連續(xù)和半連續(xù)開采工藝”設備組成中最末端的設備，負責將露天礦地表剝離物排棄至排土場，是露天礦開采生產(chǎn)工藝設備組成中重要的一環(huán)。以前，我國所需的大型排土機基本都是依賴進口，世界知名的國外生產(chǎn)公司有德國的KRUPP公司、瑞典的SANDVIK公司等，為了適應國內(nèi)市場需求，加快露天礦排土機國產(chǎn)化的進程，自主開發(fā)研制了大型排土機。該產(chǎn)品采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設計，具有輸送能力大、能源消耗少、維護費用低、工作效率高等優(yōu)點。實踐證明與傳統(tǒng)的卡車運輸相比，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的投入使用每年能為礦山公司節(jié)約數(shù)千萬元的費用。

1 排土機設備構(gòu)成、功能及工作流程

1.1 設備構(gòu)成及功能

圖1為排土機實物，主要由受料臂帶式輸送機、排料臂帶式輸送機、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、排土機(SP)行走機構(gòu)、卸料車(TC)行走機構(gòu)、卸料車(TC)皮帶張緊機構(gòu)、動力電纜卷筒、控制電纜卷筒、電氣室、液壓室和司機室等組成，設有液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音對講系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、有線無線通訊系統(tǒng)等。

圖1 排土機實物

受料臂帶式輸送機將從卸料車卸料溜槽接收到的物料運送到排土機中心位置，排料臂帶式輸送機接收受料皮帶的物料并傳送到排料臂的端部,傾卸物料到排土場，俯仰機構(gòu)用來頂升和降低排料臂，受料臂懸吊在配重臂上并繞其旋轉(zhuǎn)，行走裝置用于排土機在排土場的行走，回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)排料臂和配重臂的回轉(zhuǎn)運動，改變受料臂和排料臂的相對位置，使其滿足卸載物料。其中排料臂帶式輸送機、受料臂帶式輸送機、行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、卸料車行走機構(gòu)、動力電纜卷筒、控制電纜卷筒采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，用以滿足現(xiàn)場破碎后的物料快速、準確運送至排土場，達到節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益的目的。

1.2 排土機工作流程

排土機工作流程如圖2所示。

圖2 排土機工作流程

2 ACS880交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

2.1 ACS880交流變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

本文以排料臂帶式輸送機變頻調(diào)速主從控制為例，論述ACS880交流變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。從基本結(jié)構(gòu)來看，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由整流單元、逆變單元、編碼器接口模塊、DDCS通訊模塊、電動機、減速機及機械部件、S7-300PLC等組成，如圖3所示。

圖3 排料臂帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)技術(shù)要求及設備選型

排料臂帶式輸送機帶速為0 m/s～4.5 m/s,排料臂長度為50 m,排料臂卸料滾筒附近設有探測開關(guān)，防止物料撞擊排料臂。排料臂由兩臺電機驅(qū)動，驅(qū)動電機為三相交流異步電機，為保證排料臂帶式輸送機啟動平穩(wěn)，速度可調(diào)，采用變頻電機，每臺電機功率為160 kW、速度為0 r/min～1 490 r/min、過載倍數(shù)為1.3倍。根據(jù)工藝性能參數(shù)要求，選用ABB公司的ACS880-01系列交流變頻器對排料臂帶式輸送機進行控制,變頻器選型為ACS880-04-505A-3,其中制動單元選型為D150，F(xiàn)EN-31編碼器接口模塊L502安裝在控制單元的擴展插槽中，Profibus DP適配器選型為FPBA-01,操作面板選型為DPMP-01,DDCS主從通訊模塊選型為FDCO-01,通訊模塊之間通過光纖連接，傳輸速率為10 Mb/s。

2.3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)電機主從同步參數(shù)設置及調(diào)試方法

主/從功能可用于將多個傳動連接在一起，并將傳動之間的負載平均分配。主機和從機的電機軸通過減速機等剛性耦合，主機為速度控制、從機為轉(zhuǎn)矩控制，從機的轉(zhuǎn)矩給定來自主機的轉(zhuǎn)矩給定信號。通過主從通訊模塊FDCO-01實現(xiàn)1#排料電機與2#排料電機的信號傳遞，具有等時同步功能，即主、從可同時執(zhí)行轉(zhuǎn)矩給定信號；ACS880變頻器完成內(nèi)部信息交換，保證傳動之間沒有速度差。

以排土機排料臂兩臺電機主從同步控制為例，1#排料電機變頻器FPBA-01站號設為16號站(主站)，2#排料電機變頻器FPBA-01站號設為17號站(從站)，PLC與變頻器的網(wǎng)絡拓撲圖如圖4所示，報文組態(tài)界面如圖5所示。

圖4 PLC與變頻器的網(wǎng)絡拓撲圖

圖5 報文組態(tài)界面

主從同步主要參數(shù)設置如下：

1#排料變頻器(主站)：

60.01：slot 1A，通訊端口；

60.02：1，節(jié)點地址；

60.03：DDCS Master，主機/從機；

60.05：Ring，光纖；

60.60：speed，速度；

60.61：Torque，轉(zhuǎn)矩；

61.01：Follower CW，從機控制字；

61.02：used speed reference，實際速度給定值；

61.03：Torque reference act5，轉(zhuǎn)矩給定值5實際值；

60.14：Follower node 2，選擇的從機節(jié)點；

62.04：Follower SW，從機狀態(tài)字。

2#排料變頻器(從站)：

60.01：slot 1A，通訊端口；

60.02：2，節(jié)點地址；

60.03：DDCS follower，主機/從機；

60.05：Ring，光纖；

62.01：CW 16bit，控制字16位；

62.02：Ref1 16bit，給定值1 16位；

62.03：Ref2 16bit，給定值2 16位；

19.11：Ext1，外部控制模式；

19.12：Add，速度+轉(zhuǎn)矩；

19.14：Add，速度+轉(zhuǎn)矩；

20.01：M/F link，主從鏈路；

20.02：Level，電平；

26.11：M/F refernce2，主從給定值2；

61.01：SW 16bit，狀態(tài)值16位；

61.02：Act1 16bit，實際值1 16位；

61.03：Act2 16bit，實際值2 16位。

2.4 通訊程序設計

PLC與1#排料變頻器、2#排料變頻器之間的通訊是借助于系統(tǒng)功能塊SFC15/SFC14進行數(shù)據(jù)交換，PLC與1#排料變頻器讀數(shù)據(jù)程序如下：

L 564(1#排料變頻器PLC I地址)

T #ADD

Call SFC14(讀程序)

LADDR:= #ADD

RET_VAL:=#RET_VAL_DC1(讀返回值)

RECORD:=P#DB243.DBX0.0 BYTE20(將讀數(shù)據(jù)放入DB243塊DBX0.0起始地址)

PLC與1#排料變頻器寫數(shù)據(jù)程序如下：

L 404(1#排料變頻器PLC Q地址)

T #ADD

Call SFC15(寫程序)

LADDR:= #ADD

RECORD:=P#DB243.DBX20.0 BYTE20(將寫數(shù)據(jù)放入DB243塊DBX20.0起始地址)

RET_VAL:=#RET_VAL_DC2(寫返回值)

PLC與2#排料變頻器讀數(shù)據(jù)程序如下：

L 592(2#排料變頻器I地址)

T #ADD

Call SFC14(讀程序)

LADDR:= #ADD

RET_VAL:=#RET_VAL_DC3(讀返回值)

RECORD:=P#DB244.DBX0.0 BYTE20(將讀數(shù)據(jù)放入DB244塊DBX0.0起始地址)

PLC與2#排料變頻器寫數(shù)據(jù)程序如下：

L 432(2#排料變頻器Q地址)

T #ADD

Call SFC15(寫程序)

LADDR:= #ADD

RECORD:=P#DB244.DBX20.0 BYTE20(將寫數(shù)據(jù)放入DB244塊DBX20.0起始地址)

RET_VAL:=#RET_VAL_DC4(寫返回值)

3 結(jié)束語

ACS880交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)已被成功應用于排土機上，主從同步控制具有配置簡單、參數(shù)調(diào)整方便、便于維護的優(yōu)點，良好的動態(tài)特性及跟隨性保證了整套控制系統(tǒng)的運行性能穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)效率，對實現(xiàn)節(jié)能高效、綠色環(huán)保、安全生產(chǎn)具有重要意義。