排土機(jī)ACS880變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 兵，薛春蘭

(1.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)步，建設(shè)節(jié)能高效、綠色環(huán)保、智能化的礦山是國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，被國(guó)際采礦界公認(rèn)的“最有生命力”半連續(xù)開采工藝在我國(guó)露天礦中得到了較大的發(fā)展，排土機(jī)作為“連續(xù)和半連續(xù)開采工藝”設(shè)備組成中最末端的設(shè)備，負(fù)責(zé)將露天礦地表剝離物排棄至排土場(chǎng)，是露天礦開采生產(chǎn)工藝設(shè)備組成中重要的一環(huán)。以前，我國(guó)所需的大型排土機(jī)基本都是依賴進(jìn)口，世界知名的國(guó)外生產(chǎn)公司有德國(guó)的KRUPP公司、瑞典的SANDVIK公司等，為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，加快露天礦排土機(jī)國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，自主開發(fā)研制了大型排土機(jī)。該產(chǎn)品采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有輸送能力大、能源消耗少、維護(hù)費(fèi)用低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明與傳統(tǒng)的卡車運(yùn)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(wàn)元的費(fèi)用。

1 排土機(jī)設(shè)備構(gòu)成、功能及工作流程

1.1 設(shè)備構(gòu)成及功能

圖1為排土機(jī)實(shí)物，主要由受料臂帶式輸送機(jī)、排料臂帶式輸送機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、排土機(jī)(SP)行走機(jī)構(gòu)、卸料車(TC)行走機(jī)構(gòu)、卸料車(TC)皮帶張緊機(jī)構(gòu)、動(dòng)力電纜卷筒、控制電纜卷筒、電氣室、液壓室和司機(jī)室等組成，設(shè)有液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、有線無(wú)線通訊系統(tǒng)等。

圖1 排土機(jī)實(shí)物

受料臂帶式輸送機(jī)將從卸料車卸料溜槽接收到的物料運(yùn)送到排土機(jī)中心位置，排料臂帶式輸送機(jī)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(chǎng)，俯仰機(jī)構(gòu)用來(lái)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(jī)在排土場(chǎng)的行走，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排料臂和配重臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變受料臂和排料臂的相對(duì)位置，使其滿足卸載物料。其中排料臂帶式輸送機(jī)、受料臂帶式輸送機(jī)、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、卸料車行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)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(chǎng)破碎后的物料快速、準(zhǔn)確運(yùn)送至排土場(chǎng)，達(dá)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(jī)工作流程

排土機(jī)工作流程如圖2所示。

圖2 排土機(jī)工作流程

2 ACS880交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)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(lái)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(dòng)機(jī)、減速機(jī)及機(jī)械部件、S7-300PLC等組成，如圖3所示。

圖3 排料臂帶式輸送機(jī)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(shè)備選型

排料臂帶式輸送機(jī)帶速為0 m/s～4.5 m/s,排料臂長(zhǎng)度為50 m,排料臂卸料滾筒附近設(shè)有探測(cè)開關(guān)，防止物料撞擊排料臂。排料臂由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為三相交流異步電機(jī)，為保證排料臂帶式輸送機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，速度可調(diào)，采用變頻電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)功率為160 kW、速度為0 r/min～1 490 r/min、過(guò)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(duì)排料臂帶式輸送機(jī)進(jìn)行控制,變頻器選型為ACS880-04-505A-3,其中制動(dòng)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(kuò)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(guò)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(jī)主從同步參數(shù)設(shè)置及調(diào)試方法

主/從功能可用于將多個(gè)傳動(dòng)連接在一起，并將傳動(dòng)之間的負(fù)載平均分配。主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過(guò)減速機(jī)等剛性耦合，主機(jī)為速度控制、從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定來(lái)自主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)。通過(guò)主從通訊模塊FDCO-01實(shí)現(xiàn)1#排料電機(jī)與2#排料電機(jī)的信號(hào)傳遞，具有等時(shí)同步功能，即主、從可同時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)；ACS880變頻器完成內(nèi)部信息交換，保證傳動(dòng)之間沒有速度差。

以排土機(jī)排料臂兩臺(tái)電機(jī)主從同步控制為例，1#排料電機(jī)變頻器FPBA-01站號(hào)設(shè)為16號(hào)站(主站)，2#排料電機(jī)變頻器FPBA-01站號(hào)設(shè)為17號(hào)站(從站)，PLC與變頻器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示，報(bào)文組態(tài)界面如圖5所示。

圖4 PLC與變頻器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖5 報(bào)文組態(tài)界面

主從同步主要參數(shù)設(shè)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(diǎn)地址；

60.03：DDCS Master，主機(jī)/從機(jī)；

60.05：Ring，光纖；

60.60：speed，速度；

60.61：Torque，轉(zhuǎn)矩；

61.01：Follower CW，從機(jī)控制字；

61.02：used speed reference，實(shí)際速度給定值；

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

60.14：Follower node 2，選擇的從機(jī)節(jié)點(diǎn)；

62.04：Follower SW，從機(jī)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(diǎn)地址；

60.03：DDCS follower，主機(jī)/從機(jī)；

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(shí)際值1 16位；

61.03：Act2 16bit，實(shí)際值2 16位。

2.4 通訊程序設(shè)計(jì)

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(jìn)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(yǔ)

ACS880交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于排土機(jī)上，主從同步控制具有配置簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整方便、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，良好的動(dòng)態(tài)特性及跟隨性保證了整套控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效、綠色環(huán)保、安全生產(chǎn)具有重要意義。