刮板運輸機變頻控制技術研究與改進

鄭海峰

(陽煤集團 一礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

隨著科學技術的快速發展，煤礦采掘機械化程度不斷提升。在一些大型的煤礦開采企業中，通常使用刮板機作為刨煤機和采煤機的重要運行軌道，刮板機在工作過程中，刮板鏈沿著刮板輪循環移動，當采煤機采掘的煤塊、散煤等進入槽內后，刮板攜帶物料向上移動，完成煤炭的運輸[1]。在原始的控制技術中，采用減速機、離合器、調速系統作為控制核心，將電機的扭矩通過齒輪作用到驅動鏈輪上，完成對刮板運輸機的控制。相比這種控制方式，變頻控制具有控制靈活、控制范圍廣等特點，通過變頻控制技術，對刮板機刮鏈輪進行準確控制，對于煤礦井下運輸具有重要的作用[2]。

1 變頻控制技術原理

變頻控制技術是通過控制設備供電電能的頻率達到電機控制的目的，在實際操作過程中，通常是將交流電源進行整流轉變成直流電能信號，之后，再進行逆變，變成可以控制電壓幅值和頻率的電能，通過變頻器控制電機時，電壓頻率f與電機轉速n的關系為：

n=60f(1-s)/p.

(1)

其中：s為電機轉差率；p為電機磁對數。

由式(1)可知，電機轉速n與電壓頻率f成正比例關系，當電機磁對數固定時，通過控制半導體器件的通斷調節電壓頻率，可達到平滑調節電機轉速的目的。

2 變頻驅動系統

2.1 系統組成

在變頻控制系統中，需要增加相關檢測模塊，對電機的電磁狀態進行實時監控，部分系統中采用DTC(轉矩控制技術)提升變頻控制的精度，本系統結構如圖1所示，主回路與變頻器之間有隔離變壓器，完成電壓變換與干擾的隔離，輸出端通過濾波器與感應電機連接，實現對感應電機的控制。

圖1 變頻控制系統結構圖

在本系統中，逆變器采用三電平逆變方案，系統橋臂由4個集成門極換流晶閘管(IGCT)組成，相對于絕緣門極雙極性晶體管(IGBT)，IGCT可以通過少量的功率器件完成電流高速開斷，具有較高的運行可靠性，可以保證刮板運輸機在復雜情況下長期穩定運行。

2.2 現存問題

煤礦井下條件復雜，在變頻控制刮板機啟動過程中，刮板上的負載無法準確控制，這為變頻控制系統的穩定運行帶來困擾：當啟動負荷較大時，容易導致刮板機鏈條斷裂或者電機燒毀，此時，刮板運輸機會產生較大的啟動電流，給煤礦供電系統帶來沖擊；當啟動負載較小時，由于系統的啟動電流較大，造成了資源的浪費。為了解決現存問題，在本系統中，從刮板運輸機啟動電流和運輸狀態兩個方面入手，設計變頻控制系統的硬件結構，實現刮板機變頻控制和相關抗干擾措施。

3 變頻控制系統硬件設計

變頻控制系統采用分散控制、集中管理的方案。刮板機的現場控制與遠程控制相對獨立，自動控制通過遠程平臺實現，就地控制可以通過現場工人實現，遠程平臺可以對工人的操作權限進行管理，實現管理的功能，具有較高的優先級，現場工人具有較強的主動性，可以根據現場情況發出停機指令，提高了自動控制系統的可靠性[3]。

3.1 主控制器選型

在本系統中，PLC選擇Rockwell公司的ControlLogix系統，產品型號為1756-L61。相比于其他產品，該系列的控制器具有較大的內部存儲空間，其中，數據和邏輯信號的存儲空間為2 MB。正常工作過程中，最大功耗為3.5 W。

該系統不僅具有快速的通訊能力和方便的I/O技術，本身包含了運動控制和傳動控制的功能。系統采用模塊化的設計，用戶通過操作平臺可以方便地更改系統設置，實現相應的需求[4]。

3.2 I/O模塊選型

數字量輸入模塊選用1756-IB32模塊，該模塊的輸入點數為32個，輸入電壓為直流12 V～31.2 V，導通電流范圍為2 mA～5.5 mA；數字量輸出模塊選用1756-OB32，輸出點數為32，最大輸出電流為0.5 A，連接形式為1756-TBCH；模擬量輸入模塊選用1756-IF16，可以輸入多達8個的差分信號，輸入電壓范圍為±10.5 V，當供電電壓為24 V時，負載電流為65 mA；模擬量輸出模塊選用1756-OF4，模擬量輸出點數為4個，當供電電壓為24 V時，負載電流為120 mA。

3.3 網絡通訊模塊設計

為了實現刮板運輸機控制效果的遠程監視，在本系統中，選擇1756-CNB型號的網絡模塊進行通訊，該模塊的通訊速度為5 M/s，首發數據過程中，最大功耗為5.14 W，通過RG-6同軸電纜與主機進行連接，滿足現場變頻控制的需求。

3.4 電源模塊選型

通過統計計算，各個模塊的電流總和約為4 A，由于電源模塊的選型需要考慮系統的可擴展性，因此，電源型號選擇為1756-PA75，可以提供的最大電流為10 A，額定輸入電壓為220 VAC，有功輸入功率最大值為95 W，可以滿足現場供電需求。

4 硬件抗干擾措施

刮板機使用環境中包含大量電磁干擾設備(高壓電纜、變壓器、變頻器等)，在刮板機完成現場數據采集后，需要與遠程監控平臺進行數據交換，此時，現場干擾會影響信號傳輸，進而影響系統控制的穩定性。電磁干擾(EMI)的主要危害包括：①干擾系統啟動過程，造成自檢出錯；②造成邏輯控制誤動作；③導致PLC測量精度降低；④通訊異常，數據丟失[5]。

4.1 現場干擾分析

現場干擾主要包括以下3種類型：①控制系統電源干擾：當煤礦電能質量下降，產生沖擊電壓時，通過電源模塊進入控制系統內部；②通訊電纜引入干擾：包括其他電力設備向本控制系統串入的干擾或者刮板機周圍電磁信號產生的干擾；③接地系統匯總串入的其他干擾。

4.2 抗干擾措施

4.2.1 UPS供電

UPS一般作為控制系統的后備電源，當系統出現斷電時，可以在較短的時間內接通電源，恢復設備的正常供電。當采用后備電源供電時，現場控制系統與煤礦供電系統相對獨立，當煤礦供電系統出現波動或者沖擊時，電力系統波動不會通過PLC電源竄入變頻控制系統，保證了系統工作的穩定性。

4.2.2 冗余備用

在煤礦改版機變頻控制系統中，CPU采用冗余的熱備控制系統，通過冗余備用，保障PLC工作的穩定性。當系統正常工作時，一個CPU執行程序，控制所有的模塊進行正常工作，與此同時，另一個CPU不執行任何程序，但是處于熱備用狀態，并對工作中CPU的狀態進行跟蹤，由于兩個CPU同時壞掉的可能性很小，因此，提高了系統工作的穩定性。

5 結語

本文在分析刮板運輸機控制系統組成和現存問題的基礎上，利用Rockwell公司的ControlLogix系統設計相關控制系統，依照分散控制、集中管理的思路設計變頻控制系統，包括主控制器選型、I/O模塊選型、網絡通訊模塊選型與設計、電源模塊選型。為了提升刮板運輸機變頻控制系統的可靠性，對現場存在的三種類型干擾進行分析，并制定相關抗干擾措施，利用UPS供電和冗余備用解決了電源干擾和系統干擾問題。