綜采工作面刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)研究

王哲興

（古城煤礦機(jī)電科，山西 長(zhǎng)治 046108）

引言

刮板輸送機(jī)不僅用于采面煤炭運(yùn)輸，而且為采煤機(jī)往返移動(dòng)以及液壓支架移動(dòng)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(jī)在重載、輕載以及空載等工況間相互轉(zhuǎn)換[1-2]。當(dāng)刮板輸送機(jī)重載直接啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)電流會(huì)遠(yuǎn)超額定工作電流，不僅容易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，而且會(huì)對(duì)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中的鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有較大的機(jī)械沖擊[3]。因此，為了確保刮板輸送機(jī)在各種工況下均可平穩(wěn)啟動(dòng)，一般通過(guò)采用液力耦合器、雙速電機(jī)、變頻控制器以及CST 軟啟動(dòng)裝置等相互配合實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)，并通過(guò)變頻控制系統(tǒng)控制刮板輸送機(jī)運(yùn)行，變頻控制系統(tǒng)對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性及運(yùn)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(jī)變頻控制系統(tǒng)往往存在操作繁瑣、人機(jī)界面復(fù)雜以及經(jīng)濟(jì)性不高等問(wèn)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(shí)現(xiàn)多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平穩(wěn)，而且可優(yōu)化刮板輸送機(jī)運(yùn)行負(fù)載，操作界面相對(duì)簡(jiǎn)單，可在一定程度上提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行效率及可靠性。

1 工程概況

山西某礦5603 綜放工作面開(kāi)采6 號(hào)厚度3.5～6.8 m，煤層賦存不穩(wěn)定，采高2.8 m，刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGB-630/2×150。在采面開(kāi)采時(shí)刮板輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿禾苛孔兓^大，時(shí)長(zhǎng)出現(xiàn)重載停機(jī)問(wèn)題，給采面正常煤炭運(yùn)輸帶來(lái)一定的影響。具體采用使用的SGB-630/150 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要結(jié)構(gòu)包括有機(jī)頭及機(jī)尾鏈輪、刮板鏈、溜槽、異步電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器等。在機(jī)頭、機(jī)尾各布置一臺(tái)異步電機(jī)，使用減速器、聯(lián)軸器拖動(dòng)鏈輪工作，帶動(dòng)溜槽內(nèi)刮板鏈運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸，具體刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)備參數(shù)

受煤層厚度變化等因素影響，刮板輸送機(jī)在重載、輕載以及空載等條件下啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾異步電機(jī)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(jī)在各種工況刮板鏈均有足夠張力以及平穩(wěn)啟動(dòng)，是確保采面高效生產(chǎn)需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2 刮板輸送機(jī)變頻控制分析

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾異步電機(jī)功率平衡，需要分析異步電機(jī)機(jī)械特性，具體如下頁(yè)圖2 所示。異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n=f/p，當(dāng)極對(duì)數(shù)p 保持不變時(shí)，通過(guò)控制電機(jī)輸入電流頻率f 可調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速n。刮板輸送機(jī)一般按照機(jī)尾、機(jī)頭順序啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)機(jī)頭、機(jī)尾間保持較小的功率差值，可有效降低刮板鏈張力[7]。

圖2 異步電機(jī)機(jī)械特性

通過(guò)變頻技術(shù)對(duì)機(jī)尾、機(jī)頭電動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行控制，具體為輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電流輸入頻率保持一致，從而使得輸送機(jī)在不同負(fù)載下均可平穩(wěn)啟動(dòng)。為了避免輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)斷鏈、卡鏈等故障，機(jī)頭轉(zhuǎn)速調(diào)整以機(jī)尾轉(zhuǎn)速為依據(jù)。

3 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)采面刮板輸送機(jī)變頻控制需要，提出將西門(mén)子S7-1500PLC 作為機(jī)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(jī)等進(jìn)行信息通信，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。ET200SP 從站相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC 監(jiān)控分站具有成本更低、可靠性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

S7-1500PLC 可擴(kuò)展串聯(lián)通信、ET200MP 信號(hào)模塊以及PROFIBUS 通信模塊，從而為后續(xù)的刮板輸送機(jī)智能化改造提供基礎(chǔ)；ET200SP 從站監(jiān)測(cè)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)、刮板鏈張緊以及變頻器等設(shè)備運(yùn)行。

3.2 控制系統(tǒng)電路與控制流程

驅(qū)動(dòng)裝置變頻器為交-直-交高壓變頻器，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4 所示。刮板輸送機(jī)動(dòng)力源為6 kV 移動(dòng)變電站，供電線(xiàn)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1.7 kV。采用的交-直-交高壓變頻器額定電流、功率分別為336 A、1 600 kW，輸出電流、電壓以及電流頻率分別為360 A、3.3 kV以及5～50 Hz。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(guò)隔離保護(hù)、中間直流濾波后輸入至IGCT 逆變橋，通過(guò)LC 正弦濾波進(jìn)一步降低電流中諧波成分，最后電流輸入到機(jī)尾、機(jī)頭電機(jī)，控制刮板輸送機(jī)運(yùn)行。

圖4 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

S7-1500PLC 使用Modbus 方式控制變頻器中IGCT 逆變橋運(yùn)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(guò)16 位CRC 確保PLC 與刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)變頻器通信、控制指令的可靠性及精準(zhǔn)性。

為了確保輸送機(jī)機(jī)尾、機(jī)頭電機(jī)在各種負(fù)載啟動(dòng)條件下均可實(shí)現(xiàn)功率平衡，降低對(duì)刮板鏈沖擊，機(jī)尾、機(jī)頭電動(dòng)機(jī)使用不同基準(zhǔn)進(jìn)行變頻器控制，具體控制流程見(jiàn)圖5。機(jī)尾異步電機(jī)先啟動(dòng)并由負(fù)載決定機(jī)尾變頻器輸出電流頻率，異步電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩采用Modbus 方式反饋到變頻控制系統(tǒng)S7-1500PLC；機(jī)尾異步電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)后機(jī)頭異步電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，S7-1500PLC 通過(guò)Modbus 方式控制向機(jī)頭變頻器輸出機(jī)尾電流頻率及異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)鏈條張緊控制裝置反饋需要對(duì)刮板鏈張緊時(shí)，表明機(jī)尾、機(jī)頭異步電機(jī)間功率已基本平衡，刮板輸送機(jī)已實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)。

圖5 控制流程

3.3 控制系統(tǒng)控制程序

變頻控制系統(tǒng)控制程序采用TIA Portal V15.1構(gòu)建，采用TIA Step7 模塊設(shè)計(jì)PLC 控制程序、TIA WinCC 模塊設(shè)計(jì)人機(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，后在主程序（OB1）中循環(huán)調(diào)用機(jī)尾變頻（FC2）、機(jī)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(shí)，主程序調(diào)用預(yù)警程序（OB80～O84），通過(guò)上位機(jī)人機(jī)操作界面顯示預(yù)警信息。相對(duì)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(jī)人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理S7-1500PLC 運(yùn)行，從而便于技術(shù)人員遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)載PLC 安全值設(shè)定以及運(yùn)行控制提供便利。同時(shí)在人機(jī)交互界面上可實(shí)時(shí)顯示刮板鏈張緊狀態(tài)、機(jī)頭以及機(jī)尾驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示動(dòng)力裝置電壓、電流以及頻率等安全值以及實(shí)時(shí)值。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓防爆變頻器應(yīng)用到綜采工作面刮板輸送機(jī)變頻控制中，可為機(jī)頭、機(jī)尾異步電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)以及可靠運(yùn)行提供良好基礎(chǔ)。但是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過(guò)程中受到刮板輸送機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜影響，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率平衡較為困難，往往存在刮板鏈張力異常問(wèn)題。運(yùn)用基于S7-1500PLC的變頻控制系統(tǒng)對(duì)刮板輸送機(jī)各位置進(jìn)行監(jiān)控，不僅可實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡，而且可在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示刮板輸送機(jī)各位置運(yùn)行參數(shù)。