刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究

劉偉峰

（陽煤寺家莊有限責任公司機運部修配隊， 山西 昔陽 045300）

引言

刮板輸送機是綜采工作面與采煤機、液壓支架配套的關(guān)鍵設(shè)備，不僅可為采煤機提供行走軌道，而且可為液壓支架提供推溜支點。在實際生產(chǎn)中，由于綜采工作面煤層的變化、地板的起伏變化等因素，需對采煤機截割速度和行走方向?qū)崟r控制，此時對應(yīng)的刮板輸送機的工況也實時變化[1]導致刮板輸送機發(fā)生故障，尤其是刮板輸送機在重載啟動、載荷突變工況下運行時往往會刮板鏈條拉斷、卡鏈等事故。為此，將變頻驅(qū)動控制技術(shù)應(yīng)用于刮板輸送機的驅(qū)動控制中，具體闡述如下：

1 變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)由機械傳動系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)四部分組成。其中：機械傳動系統(tǒng)的核心為齒輪傳動部件和液力耦合器組成；液壓控制系統(tǒng)為各類液壓控制元器件，包括管路、液壓閥等組成；潤滑冷卻系統(tǒng)主要是對整個驅(qū)動控制系統(tǒng)的冷卻；電氣控制系統(tǒng)的核心為PLC控制器和變頻器以及各類相關(guān)采集設(shè)備運行參數(shù)的傳感器和信號處理系統(tǒng)[2]。文章主要對機械傳動系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三部分總體設(shè)計展開分析。

1.1 機械傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計

刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

如圖1所示，刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的機械傳動由動力輸入端、齒輪傳動部件、液力耦合器、動力輸出端組成。其中，齒輪傳動系統(tǒng)為直角型三級齒輪減速器；動力輸出端為行星齒輪減速器；液力耦合器由摩擦副、液壓油缸、彈簧以及相關(guān)密封片等組成。

圖1 機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 液壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示：

圖2 液壓控制系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，在柱塞泵、伺服閥等液壓元器件的作用下控制液壓油缸的壓力，并將液壓油缸的壓力傳遞至液力耦合器上，從而實現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

1.3 電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)控制核心為PLC控制器和變頻器，具體原理如下：由現(xiàn)場各類傳感器對刮板輸送機的運行狀態(tài)參數(shù)進行采集，并將所采集到的數(shù)據(jù)通過PLC控制器進行分析，結(jié)合刮板輸送機的實時運行煤層、頂?shù)装迩闆r對得出相應(yīng)的控制指令，從而實現(xiàn)對變頻器的控制，變頻器通過電機的控制完成對刮板輸送機運行參數(shù)的調(diào)整和控制[3]?；谧冾l器的電氣控制如圖3所示：

圖3 基于變頻器的電氣控制原理圖

其中，現(xiàn)場傳感器包括有離合器溫度傳感器、油溫傳感器、液位傳感器以及油壓傳感器等。此外，基于電氣控制系統(tǒng)還能夠?qū)崟r對刮板輸送機的故障信息進行報警，并將其實時運行參數(shù)顯示于上位機顯示機上，便于用戶的觀察。

2 變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的元器件選型

實現(xiàn)對刮板輸送機變頻驅(qū)動控制的核心為PLC控制器、變頻器和現(xiàn)場所需的監(jiān)測刮板輸送機運行參數(shù)的各類傳感器。

2.1 PLC控制器的選型

PLC控制器是當前工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)自動化、智能化控制廣泛應(yīng)用的設(shè)備，結(jié)合工業(yè)選型經(jīng)驗和刮板輸送機變頻控制的需求，所選型PLC控制器為S7-300系列。其中，為PLC控制器配置PS307電源模塊、315-2DPCPU模塊、SM321數(shù)字量輸入模塊、SM322數(shù)字量輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊、SM332模擬量輸出模塊、IM365接口模塊以及CP343-1通訊模塊等模塊完成PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計[4]。

結(jié)合刮板輸送機變頻驅(qū)動控制的控制需求，為其系統(tǒng)配置模擬量輸入模塊為8路，模擬量輸出模塊為4路，數(shù)字量輸入模塊為96點，數(shù)字量輸出模塊為48點。

2.2 變頻器的選型

變頻器選型的主要依據(jù)為其容量。在正常運行過程中，刮板輸送機電機的負載電流計算如式（1）所示：

式中：P為刮板輸送機的額定功率，取1 600 kW；cosφ為刮板輸送機驅(qū)動電機的功率因數(shù)，取0.75；U為刮板輸送機額定電壓，380 V。

將數(shù)值代入公式可得，刮板輸送機的負載電流值為3.24 kA。

由于刮板輸送機在實際應(yīng)用中不僅存在滿載啟動的工況，還存在空載運輸?shù)墓r。因此，一般情況下將刮板輸送機的平均力矩設(shè)定為其額定力矩值的1.3～1.6倍。而對于電動機可為變頻驅(qū)動系統(tǒng)提供的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)為其額定負載轉(zhuǎn)矩的1.8～2倍[4]。因此，變頻器的容量計算公式如式（2）所示：

式中，PCN為變頻器的容量；K為安全系數(shù)，取2；ηM為三相異步電動機的效率，取0.85

將數(shù)值代入公式得，頻器的最小容量為3346kW。

結(jié)合變頻器實際運行時的負載電流值和最小容量值，最終選型變頻器的型號為BPJV1-3500/3.5。該變頻器的額定容量為3 500 kW，滿足要求；額定電流值為3.5 kA，滿足要求。

3 變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)性能的仿真分析

針對刮板輸送機變頻驅(qū)動控制功能的實現(xiàn)，結(jié)合工業(yè)傳統(tǒng)控制策略的對比，擬采用PID控制器完成對刮板輸送機的變頻驅(qū)動控制[5]。其中，變頻驅(qū)動器中的比例環(huán)節(jié)參數(shù)為5.5，積分環(huán)節(jié)參數(shù)為1/4.75，微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.05。

本文以SGZ1 000/2×1 000型刮板輸送機為原型建立三維模型，對其變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能進行仿真分析，主要對空載、卡鏈工況下變頻驅(qū)動控制的特性進行分析。

3.1 空載啟動工況下仿真結(jié)果分析

刮板輸送機采用S形加速曲線啟動，設(shè)定總仿真時間為40 s。仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 刮板輸送機空載變頻啟動特性

3.2 卡鏈工況下仿真結(jié)果分析

本文對刮板輸送機刮板鏈卡死工況下的變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能進行仿真分析，設(shè)定仿真時間為40 s時出現(xiàn)刮板鏈卡死的現(xiàn)象，并對刮板鏈卡死25 s后的性能進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示：

如圖5所示，當在40 s時出現(xiàn)卡死工況后，鏈輪轉(zhuǎn)速迅速下降并在振蕩將近10 s轉(zhuǎn)速將為0，從而實現(xiàn)了對刮板鏈及鏈輪的保護。

圖5 刮板鏈卡死工況下變頻驅(qū)動系統(tǒng)的啟動特性

4 結(jié)論

1）為刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)配置PLC控制器的型號為S7-300系列，配置變頻器的型號為BPJV1-3 500/3.3；

2）將PID控制算法應(yīng)用于對變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制中，且比例環(huán)節(jié)參數(shù)為5.5，積分環(huán)節(jié)參數(shù)為1/4.75，微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.05；

3）經(jīng)仿真分析可得，本文所設(shè)計的變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)在空載狀態(tài)下可按照S形曲線完成啟動，在卡鏈工況下可實現(xiàn)對刮板鏈和鏈輪的保護。