綜采工作面刮板輸送機智能變頻調速控制系統研究與應用

王 偉

（山西鄉寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面的煤料傳輸設備，具有控制方便、操作靈活、可實現連續運輸的特點，在綜采工作面發揮著不可替代的作用。綜采工作面地質條件復雜、工作環境惡劣、煤料負載不均衡，刮板輸送機系統常常出現空載、超載現象，嚴重影響刮板輸送機的運行效率并造成電能浪費，甚至引發煤礦安全事故。因此，研究刮板輸送機智能調速系統是實現綜采工作面安全生產運輸的重要措施。綜采工作面刮板輸送機控制系統目前存在的主要問題有：啟動慣性大，啟動沖擊電流大，易對電動機造成損害；恒速控制常常使得帶式輸送機處于輕載甚至空載狀態，電能浪費嚴重；控制系統落后，設備間未形成連鎖聯動控制，影響設備運行效率。為此，國內諸多學者開展相關研究，王波等[1]根據刮板輸送機的動態特性建立多機功率平衡控制模型，實現系統節能運行。

1 智能調速原理分析

刮板輸送機運行時受到的運行阻力包括基本阻力Fn、附加阻力FN、傾斜阻力FSt以及特殊阻力FS四種，其中Fn為刮板輸送機的輸送帶、托輥以及煤料之間的摩擦阻力之和，對刮板輸送機運行的影響力最大；FN為輸送帶與煤料之間的摩擦以及慣性阻力之和；FSt為輸送帶傾斜時形成的阻力；FS為刮板輸送機實際運行時的工況確定。刮板輸送機運行時需克服上述阻力，因此牽引力Fu可表示為Fu≥Fn+FN+FSt+FS。

刮板輸送機驅動功率P=FuV，其中P 為克服運行阻力所需要的功率，V 為刮板輸送機帶速；則刮板輸送機額定功率P0=（1.15～1.20）P。刮板輸送機運量與帶速的關系可表示為：式中：qm為承載煤料的線密度；Qmin為刮板輸送機的最小運量；vmin為最小運行速度。

刮板輸送機智能調速控制系統基于模糊神經網絡控制實現，模糊控制系統主要包括模糊化（論域變換、模糊處理）模塊、知識庫模塊、模糊決策模塊以及清晰化模塊組成。以刮板輸送機為對象，對控制量帶速進行模糊處理并綜合考慮運行環境、負載變化等因素實現帶速與負載的模糊控制。為保證刮板輸送機帶速控制效果，加入BP 神經網絡控制，設計輸入層、隱含層、輸出層三層BP 神經網絡結構，對刮板輸送機的負載變換進行預測，并及時調整帶速，實現刮板輸送機智能調速。

2 智能調速方案設計

2.1 總體設計

綜采工作面刮板輸送機智能調速系統總體設計框圖見圖1 所示，刮板輸送機機頭由電動機M1、M2共同驅動，由1 號變頻器對M1 以及M2 進行變頻調速控制，為“一拖二”控制模式；機尾為電動機M3，由2 號變頻器進行變頻調速控制，為“一拖一”控制模式。1 號變頻器與2 號變頻器以CanOpen 總線通信模式與PLC 控制器進行數據、指令交互，控制變頻器的啟動、停止、加速、減速，進而實現對機頭、機尾電動機的變頻調速。

圖1 綜采工作面刮板輸送機智能調速系統總體設計

在PLC 控制器內部基于模糊控制以及BP 神經網絡預測控制實現帶速的智能調速，根據不同的負載，給定變頻器不同的給定轉矩，使得刮板輸送機的帶速隨負載變化動態調整。1 號變頻器以及2 號變頻器均可運行于轉速以及轉矩模式，由PLC 控制器完成控制。當變頻器運行于轉速模式時,PLC 控制器需對目標轉速、驅動母線電流、制動母線電流以及限制扭矩等參數進行設置和自適應調節；變頻器將母線電流值、電動機當前轉速、電動機實際轉矩、電動機溫度、電動機控制溫度以及控制器母線電壓等值反饋給PLC 控制器并參與邏輯控制；當變頻器運行于轉矩模式時，PLC 控制器需對目標轉矩、最大轉速限制等值進行設置和自適應調節。當變頻器運行時有故障發生時，將故障信息反饋至PLC 控制器并完成故障解析。由技術人員根據故障提示解決變頻器故障。

圖2 所示為PLC 控制器與變頻器的CanOpen 通信方案總體設計，采用CanOpen 總線通信專用屏蔽雙絞電纜連接PLC 控制器以及1 號變頻器、2 號變頻器，并在兩側終端并聯120 Ω 終端電阻，保證通信質量，減少丟包率。PLC 控制器與1 號、2 號變頻器之間的CanOpen 通信需在PLC 控制器中建立和維護，通信波特率根據刮板輸送機實際通信距離設置為250 kbps，采用29bit 擴展幀格式實現。為保證CanOpen 通信的可靠性、減少丟包率，PLC 控制器擴展兩個CanOpen 通信擴展模塊，實現專口專用。上位機與PLC 控制器間的通信模式為TCP/IP 通信，PLC 控制器擴展TCP/IP 通信模塊，通過TCP/IP 通信將刮板輸送機運行時的所有數據上傳至上位機，用于監視和控制刮板輸送機的運行。在PLC 控制內編寫TCP/IPsocket 通信程序，實時將刮板輸送機運行數據以socket 方式發送給上位機，同時接收上位機的控制指令[2-3]。

圖2 控制系統通信方案總體設計圖

2.2 硬件設計

綜采工作面刮板輸送機智能調速系統的1 號以及2 號變頻器都選用西門子礦用高精度矢量變頻器MASTER-DRIVESVC，該變頻器采用矢量控制技術，基于CAN/CanOpen 總線通信模式實現與控制系統的數據交互，利用編碼器、速度傳感器實現信號實時反饋并形成高精度速度雙閉環控制，進而實現對刮板輸送機機頭、機尾電動機的變頻控制。控制器選用西門子CPU315-2DP 以及SM321DI、SM322DO、SM3318×12 bit、CP343 等擴展模塊共同構成PLC 控制系統。根據刮板輸送機智能調速控制系統控制方案。

2.3 軟件設計

綜采工作面刮板輸送機智能調速系統軟件在PLC 控制器內部實現，利用模糊控制以及BP 神經網絡控制實現帶速與負載協同控制。PLC 控制器內的控制回路1 控制機頭電動機M1 以及M2，輸入信號為機頭電動機的運行速度ω*，反饋速度為ωr，經速度模擬PI 調節器后控制電動機的給定轉矩為，該值經轉矩調節器1 以及轉矩計算模塊后輸出至1 號變頻器，進而控制機頭M1、M2 電動機按照調節后的轉矩值運轉。PLC 控制器內的控制回路2 控制機尾電動機M3，輸入額定轉矩為，經轉矩調節器2 后輸出至2號變頻器，進而完成對機尾電動機的控制。刮板輸送機機頭、機尾電動機運行時需考慮功率平衡問題，即利用，保證機頭、機尾電動機輸出功率基本平衡，使得刮板輸送機穩定、連續運行。

3 應用效果分析

本文設計并實現的綜采工作面刮板輸送機智能調速系統在某煤礦綜采工作面完成6 個月的工業試驗，為驗證該調速系統的正確性和應用效果，第一個月采用傳統恒速控制方案，刮板輸送機日平均電能消耗量約為14 700 kW·h，平均帶速為4.1 m/s，因機頭、機尾功率不平衡導致輸送帶抖動以及散落煤料的故障為12 次；第二個月采用設計的智能調速方案，刮板輸送機日平均電能消耗量約為10 390 kW·h，電能消耗降低了29.32%；平均帶速為3.92 m/s，降低了4.4%，未出現輸送帶抖動、散落煤料的現象，刮板輸送機運行穩定。后續4 個月采用智能調速方案，刮板輸送機運行連續、穩定[4]。

4 結論

本文以綜采工作面刮板輸送機為研究對象，基于變頻控制、模糊神經網絡控制技術設計并實現智能調速系統并得出以下結論：

1）根據綜采工作面刮板輸送機運行狀況，基于變頻控制、模糊控制以及BP 神經網絡預測控制技術設計智能調速方案，使得帶速與負載協同、動態自適應調整；

2）實際應用情況表明，該智能調速方案能夠保證刮板輸送機高效、節能運行，提升綜采工作面生產效率。