電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案設計

趙云平

（西山煤電集團有限責任公司官地煤礦運輸區(qū)，太原 032200）

0 引言

煤礦井下用采煤機技術主要為液壓牽引式和電牽引式兩種模式，由于液壓牽引式采煤機在實際使用中存在局限性，同時無法滿足采煤機高效率、低能耗的要求，電牽引式采煤機逐漸占據(jù)主導地位[1]。電驅(qū)型采煤機的變頻牽引系統(tǒng)、變頻截割系統(tǒng)逐漸成為研究熱點。德國Eickhoff、美國JOY、英國Long-Airdox以及日本三井三池等公司相繼推出電牽引采煤機機型，如Eickhoff的SL300、SL400以及SL500；JOY的4LS、6LS以及 7LS；Long-Airdox推出的 Electra550、Electra1000；三井三池的MCLE500-DR101101、MCLE600-DR10210等。國外電驅(qū)型采煤機具有牽引力大、截割功率高、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、響應速度快、具有在線監(jiān)控等諸多優(yōu)點[2-3]。國內(nèi)各煤機生產(chǎn)單位在借鑒國外先進技術的基礎上，相繼開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的電驅(qū)型采煤機，典型的有上海天地生產(chǎn)的MG1000/2540-GWD、雞西煤機生產(chǎn)的MG900-2310-WD、西安煤機生產(chǎn)的MG10002550-GWD以及三一重工生產(chǎn)的MG700-1740等。上述電驅(qū)型采煤機的采高為2.24～7.0 m、裝機功率為1 740～2 760 kW、截割功率為2×700～2×1 100 kW、牽引功率為2×90～2×150 kW，均采用交流變頻調(diào)速方式[4-5]。為適應截割煤壁工況，將采煤機截割部采用變頻控制技術，根據(jù)煤壁工況實時調(diào)節(jié)截割滾筒的速度，達到節(jié)能降耗，延長截割滾筒機械部件使用壽命的目的。

1 系統(tǒng)設計

圖1 電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案系統(tǒng)設計

電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案系統(tǒng)設計如圖1所示，由PLC控制器為核心部件，以CAN總線通信模式與變頻器進行通信，完成對采煤機截割電動機的變頻控制，進而可根據(jù)工況實時調(diào)節(jié)采煤機截割滾筒的截割速度，達到節(jié)能降耗的目的，減小截割滾筒的機械損耗。為完成對截割滾筒的變頻控制，PLC控制器需擴展模擬輸入量，如截割電機溫度、截割電機電流、系統(tǒng)電壓、搖臂傾角等，PLC控制器每隔300 ms對上述模擬量進行采集，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后對截割滾筒的轉(zhuǎn)速以及動作進行邏輯控制；PLC控制器擴展數(shù)字量輸入模塊，用于采集截割電機漏電流節(jié)點、開啟/停止截割電機節(jié)點、瓦斯斷電信號節(jié)點、語音報警節(jié)點等，用于保護截割電動機，延長截割電動機的使用壽命；PLC控制器擴展數(shù)字量輸出模塊，用于完成對截割臂升降、聯(lián)動、制動以及急?？刂?，完成對截割電動機的左、右截割動作的控制；PLC控制器擴展CAN通信口，與變頻器進行CAN通信，將控制指令以CAN總線模式發(fā)送給變頻器，進而由變頻器控制截割電機的啟動、停止、加速、減速等。另外，采煤機截割滾筒變頻控制方案還外接遙控器、液晶顯示屏以及鍵盤，方便工作人員的遙控操作并及時掌握采煤機截割系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2 硬件設計

該電牽引采煤機的截割功率為120 kW，考慮1.2倍設計余量，選擇變頻器的額定功率為144 kW。選擇ABB公司生產(chǎn)的型號為ACS800-04-269-05的變頻器，其額定電壓為500 V，額定功率為160 kW，滿足系統(tǒng)設計要求[6]。選擇變壓器時需考慮該電牽引采煤機的額定供電電壓為460 V，因此變壓器的變比為3 300/460 V；變壓器的最小容量為2×160 kW×100%kVA，即為320 kVA，因此選擇變壓器的容量為350 kVA。溫度、壓力、電流以及油位等模擬量輸入信號統(tǒng)一為4～20 mA的電流信號，精度應不小于1%，采集周期為300 ms。遙控器和鍵盤輸入信號的響應時間應不小于0.1 s。CAN總線通信數(shù)據(jù)傳輸波特率要求最低為250 kb/s，傳輸距離需大于100 m[7]。PLC控制器選用PCS7-400型西門子控制器，該控制器穩(wěn)定性好、邏輯處理能力強、運算速度高，且配置有CAN/CanOpen/Profibus-DP數(shù)據(jù)通信模式，可方便擴展數(shù)字、模擬量接口，符合采煤機截割滾筒變頻控制方案設計要求。表1所示為電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案PLC控制器I/O部分地址分配統(tǒng)計表。

表1 PLC控制器I/O地址分配(部分)

3 軟件設計

基于西門子PCS7-400控制器軟件開發(fā)平臺，根據(jù)采煤機截割滾筒變頻控制方案要求，完成PLC軟件程序設計。電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案軟件流程如圖2所示，系統(tǒng)完成上電以及自檢過程后，如果有故障，則發(fā)出故障報警信息并結(jié)束運行，待故障解決后重新上電自檢。如果系統(tǒng)無故障，則建立PLC控制器與變頻器的CAN通信連接，需注意CAN通信雙方的CAN通信端口、波特率、COBID以及校驗方式等參數(shù)設置需完全一致，否則CAN通信連接無法成功建立。CAN通信連接建立成功后，PLC控制器根據(jù)與變頻器約定好的CAN總線通信協(xié)議，發(fā)送啟動命令、運行模式、最高轉(zhuǎn)速上限等控制指令，使得變頻器啟動并達到可運行狀態(tài)。變頻器達到可運行狀態(tài)后，會根據(jù)PLC控制器給定的目標轉(zhuǎn)速值開始運行并驅(qū)動截割電動機按照目標轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)動。當采煤機司機根據(jù)實際工況需要減少轉(zhuǎn)速時，按下“減速”按鈕，PLC控制器將修正后的“目標轉(zhuǎn)速”發(fā)送給變頻器，進而使得截割電動機按照修訂后的“目標轉(zhuǎn)速”值運行；當采煤機司機需要增加轉(zhuǎn)速時，按下“加速”按鈕，PLC控制器將修正后增加的“目標轉(zhuǎn)速”發(fā)送給變頻器。圖2所示為采煤機截割滾筒變頻控制系統(tǒng)一個循環(huán)周期的軟件流程，該流程的循環(huán)周期為20 ms。

圖2 電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案軟件流程

4 應用情況

設計并實現(xiàn)的電牽引采煤機截割滾筒變頻控制方案在某礦綜掘工作面進行6個月工業(yè)性試驗，采煤機日工作14～16 h，以年工作日300計算，年耗電量W1=288 000 kW·h。

根據(jù)原采煤機運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，原采煤機年耗電量35 0000～400 000 kW·h，則年節(jié)約耗電最小值為62 000 kW·h。另外，在6個月的工業(yè)試驗中，采煤機截割滾筒以及各機械部件完好，沒有過度磨損或者損壞的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

將變頻控制技術應用于電牽引采煤機截割滾筒的控制，使得采煤機截割滾筒能夠根據(jù)煤壁工況自動調(diào)節(jié)截割速度，降低了截割滾筒的機械磨損，延長了使用壽命，同時達到節(jié)能降耗的目的，具有較好的經(jīng)濟價值和推廣意義。