基于CANopen協(xié)議的刮板輸送機(jī)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究

耿嘉勝，張紅娟，靳劍兵，高 妍，靳寶全，胡 浩

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西汾西重工有限公司，山西 太原 030027)

刮板輸送機(jī)是井下煤礦綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，與采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，煤礦高產(chǎn)高效綜采工作面的持續(xù)發(fā)展對(duì)其運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、安全性提出了越來(lái)越高的要求[1]。在刮板輸送機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，由于頭尾電機(jī)的機(jī)械特性不同、起動(dòng)措施差異及煤炭開(kāi)采的隨機(jī)性等因素，會(huì)導(dǎo)致兩電機(jī)輸出功率分配失衡、處于差異過(guò)大的負(fù)載狀態(tài)，影響刮板輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，所以有必要對(duì)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的頭尾電機(jī)功率協(xié)調(diào)控制問(wèn)題進(jìn)行研究[2，3]。

現(xiàn)場(chǎng)總線CANopen是CiA組織開(kāi)發(fā)和維護(hù)的CAN應(yīng)用層協(xié)議，具有透明、清晰、精煉等優(yōu)點(diǎn)，在基于CAN的自動(dòng)化系統(tǒng)中居于領(lǐng)導(dǎo)地位[4]。CANopen協(xié)議在歐洲獲得了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用比較少，在刮板輸送機(jī)的電機(jī)功率控制方面實(shí)現(xiàn)的就更少。如果刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用CANopen協(xié)議，將有利于控制器與電機(jī)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文以CANopen協(xié)議為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了刮板輸送機(jī)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證控制方案的可行性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于CANopen協(xié)議的刮板輸送機(jī)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，由上位機(jī)、CANopen主站、CANopen從站等構(gòu)成，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，CANopen從站的變頻器采用速度控制模式，頭尾兩臺(tái)變頻器分別采集反映負(fù)載大小的頭尾電機(jī)實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩值，經(jīng)由CANopen通訊卡、CANopen總線上傳到由PLC控制器和CM CANopen模塊(以下簡(jiǎn)稱CM模塊)組成的CANopen主站，CANopen主站依據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)對(duì)負(fù)載情況進(jìn)行判斷比較，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部協(xié)調(diào)控制程序的處理，給出對(duì)尾機(jī)的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，達(dá)到頭尾電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟隨的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)頭尾電機(jī)的功率協(xié)調(diào)控制。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 CANopen協(xié)議通信原理

CANopen協(xié)議在CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上定義了應(yīng)用層協(xié)議，它主要由通信接口、對(duì)象字典、用戶應(yīng)用層3個(gè)部分組成，其設(shè)備模型如圖2所示[5]。

圖2 CANopen設(shè)備模型

通信接口用于在CANopen總線上傳送通信對(duì)象，主要包括管理報(bào)文NMT、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO、預(yù)定義報(bào)文或特殊功能對(duì)象四種通信對(duì)象。NMT起主站對(duì)從站控制和狀態(tài)監(jiān)控的作用；SDO起主站對(duì)從站參數(shù)配置的作用；PDO采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模型，起傳輸1～8字節(jié)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的作用。

對(duì)象字典是CANopen協(xié)議的核心內(nèi)容，包括描述設(shè)備和其網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)，通常使用電子數(shù)據(jù)文檔EDS對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行記錄。對(duì)象字典中的項(xiàng)由一系列子協(xié)議來(lái)描述，其中子協(xié)議DSP402用于驅(qū)動(dòng)控制變頻器，定義了變頻器的運(yùn)行模式和用于控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程。變頻器的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程由主電關(guān)閉、主電打開(kāi)和故障3部分組成，包含9個(gè)運(yùn)行狀態(tài)和17個(gè)狀態(tài)傳輸，如圖3所示。

變頻器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換借助狀態(tài)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)傳輸通過(guò)對(duì)象字典中的6040H控制字和變頻器內(nèi)部事件等方式實(shí)現(xiàn)。變頻器一開(kāi)機(jī)并完成初始化動(dòng)作后，進(jìn)入取消啟動(dòng)狀態(tài)，可以進(jìn)行CANopen通信配置變頻器參數(shù)，主電處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)未被勵(lì)磁；經(jīng)過(guò)設(shè)定6040H控制字實(shí)現(xiàn)狀態(tài)傳輸2、3、4后，轉(zhuǎn)換為允許運(yùn)行狀態(tài)，主電打開(kāi)，電機(jī)被勵(lì)磁，變頻器按照設(shè)定的速度模式啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中變頻器只要發(fā)生報(bào)警，其狀態(tài)都會(huì)進(jìn)入故障部分。同時(shí)，上位機(jī)可以通過(guò)6041H狀態(tài)字讀取變頻器的實(shí)時(shí)狀態(tài)[6]。

圖3 變頻器的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程

用戶應(yīng)用層是連接CANopen從站與主站的橋梁，采用訪問(wèn)對(duì)象字典的方式完成對(duì)從站的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間高速的數(shù)據(jù)交換。

3 協(xié)調(diào)控制策略

以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，確定頭尾電機(jī)的功率協(xié)調(diào)控制策略。刮板輸送機(jī)頭尾電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩滿足一定關(guān)系，見(jiàn)式(1)、式(2)：

P1=T1ω1

(1)

P2=T2ω2

(2)

式中，P1為頭機(jī)輸出功率，kW；P2為尾機(jī)輸出功率，kW；T1為頭機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；T2為尾機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ω1為頭機(jī)輸出軸角速度，(°)/s；ω2為尾機(jī)輸出軸角速度，(°)/s。

刮板輸送機(jī)處于平穩(wěn)工作狀態(tài)時(shí)，頭尾處鏈輪由于刮板鏈的連接而處于剛性強(qiáng)制耦合狀態(tài)，鏈輪與電機(jī)又經(jīng)減速器硬性連接，所以頭尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中被強(qiáng)制同步。由功率與轉(zhuǎn)矩關(guān)系式可知，電機(jī)的輸出功率與輸出轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，所以對(duì)功率的控制可轉(zhuǎn)化為對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。頭尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步時(shí)，由于負(fù)載多變等因素影響，輸出轉(zhuǎn)矩往往并不相同，導(dǎo)致兩電機(jī)的輸出功率不平衡[7]。

為了合理分配負(fù)載，采用變頻調(diào)速方法依據(jù)負(fù)載變化對(duì)尾機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變尾機(jī)承擔(dān)的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)頭尾電機(jī)輸出功率的動(dòng)態(tài)平衡[8]。以尾機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的功率協(xié)調(diào)控制示意如圖4所示。

圖4 功率協(xié)調(diào)控制示意

4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

CANopen主站由PLC控制器與CM模塊組成，CANopen從站由變頻器與電機(jī)組成。PLC控制器選用S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY，其具有集成的Profinet接口、靈活的可擴(kuò)展性和強(qiáng)大的集成工藝功能等特性。通信模塊采用HMS公司的CM模塊，其能夠連接1～16個(gè)從站節(jié)點(diǎn)，具有256字節(jié)輸入與256字節(jié)輸出。CANopen從站選用臺(tái)達(dá)C2000系列向量控制變頻器，搭配型號(hào)為EMC-COP01的高速CANopen通訊卡，即可實(shí)現(xiàn)符合子協(xié)議DSP402的CANopen通信。

4.2 CANopen通信初始化設(shè)置

為了實(shí)現(xiàn)變頻器的CANopen通信，首先要完成相關(guān)參數(shù)的初始化設(shè)定。將變頻器的節(jié)點(diǎn)地址分別設(shè)定為2、3，通信速率設(shè)定為500kbps，CANopen譯碼方式選擇標(biāo)準(zhǔn)DSP402規(guī)范，變頻器的頻率來(lái)源和運(yùn)轉(zhuǎn)指令來(lái)源均設(shè)定為CANopen通訊卡。對(duì)于CM模塊，使用TIA博途軟件將節(jié)點(diǎn)地址設(shè)定為1，通信速率設(shè)定為500Kbps，CANopen輸入/輸出數(shù)據(jù)大小的設(shè)定值由CM模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小決定。

4.3 CM模塊的軟件組態(tài)

控制系統(tǒng)采用SDO配置變頻器參數(shù)，采用PDO進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。HMS公司提供的CM CANopen Configuration Studio軟件用于組態(tài)和配置CANopen網(wǎng)絡(luò)。在進(jìn)行CM模塊的軟件組態(tài)前，需要先向組態(tài)軟件導(dǎo)入變頻器的EDS文件。

常規(guī)的CANopen從站一般預(yù)定義4個(gè)RPDO和4個(gè)TPDO，每個(gè)PDO能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)，根據(jù)需要選擇RPDO1、RPDO2接收數(shù)據(jù)，TPDO1、TPDO2發(fā)送數(shù)據(jù)。RPDO用于切換變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、改變電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，TPDO用于傳送變頻器的各項(xiàng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。CM模塊的PDO變量映射參數(shù)分配見(jiàn)表1。

表1 PDO變量映射參數(shù)分配

組態(tài)軟件根據(jù)映射參數(shù)分配計(jì)算生成配置文件，將其下載到CM模塊即可完成CM模塊的軟件組態(tài)。

4.4 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序的設(shè)計(jì)在TIA博途軟件中進(jìn)行，首先創(chuàng)建用于進(jìn)行PDO數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的功能塊，通過(guò)調(diào)用RDREC和WRREC指令塊來(lái)完成。將RDREC讀指令塊中的RECORD參數(shù)設(shè)定為M100.0 BYTE 28，使讀取到的數(shù)據(jù)存放于PLC的M存儲(chǔ)區(qū)中起始地址為100、長(zhǎng)度為28字節(jié)的地址區(qū)間，長(zhǎng)度即為CANopen輸入數(shù)據(jù)大小。同理，將WRREC寫(xiě)指令塊中RECORD參數(shù)設(shè)定為M200.0 BYTE 8。然后創(chuàng)建全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，添加相應(yīng)參數(shù)，利用Swap指令將PDO傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中可以直接進(jìn)行設(shè)置和讀取的用戶數(shù)據(jù)。

接著，在PLC中相應(yīng)地址修改6040H控制字以切換變頻器運(yùn)行狀態(tài)。變頻器完成初始化后進(jìn)入取消啟動(dòng)狀態(tài)，依次設(shè)定控制字為0x06、0x0E、0x0F、0x7F可將其切換為允許運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)6042H目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定電機(jī)預(yù)期達(dá)到的轉(zhuǎn)速。

其后，依據(jù)協(xié)調(diào)控制策略編寫(xiě)程序。設(shè)定頭尾電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩差值范圍為Δ，將頭尾電機(jī)的6077H實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩T1與T2的差值與Δ進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)尾機(jī)6043H實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行增減處理，將處理后的值賦予6042H目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以改變尾機(jī)轉(zhuǎn)速。

另外，在程序中添加了故障保護(hù)功能，通過(guò)對(duì)頭尾變頻器返回的603FH錯(cuò)誤代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，當(dāng)其中一臺(tái)電機(jī)因故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制另一臺(tái)電機(jī)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。

刮板輸送機(jī)頭尾電機(jī)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的CANopen通信流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)的CANopen通信流程

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用電機(jī)、三角帶、磁粉制動(dòng)器與控制器等搭建了刮板輸送機(jī)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。磁粉制動(dòng)器由控制器改變其輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小，為電機(jī)提供模擬負(fù)載；頭尾電機(jī)輸出軸借助三角帶實(shí)現(xiàn)硬連接。給定頭尾電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為750r/min，程序中的Δ為5%(100%為額定轉(zhuǎn)矩)、電機(jī)轉(zhuǎn)速改變值為1r、程序循環(huán)時(shí)間為0.3s。設(shè)T1為頭機(jī)轉(zhuǎn)矩，T2為尾機(jī)轉(zhuǎn)矩，V1為頭機(jī)轉(zhuǎn)速，V2為尾機(jī)轉(zhuǎn)速。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

設(shè)定兩電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持為50%，由波形可知，T1、T2經(jīng)過(guò)前期的波動(dòng)后，穩(wěn)定在40%～60%的動(dòng)態(tài)平衡范圍內(nèi)，表明兩臺(tái)電機(jī)在搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上可以平穩(wěn)的運(yùn)行。頭尾電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)的轉(zhuǎn)矩如圖7所示。

圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)的頭尾電機(jī)轉(zhuǎn)矩

設(shè)定兩電機(jī)起始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為46%，電機(jī)啟動(dòng)1min后，在T時(shí)刻機(jī)頭負(fù)載轉(zhuǎn)矩上升至56%。由轉(zhuǎn)速波形可知，啟動(dòng)后，V1快速上升，并最終維持在750r/min，V2上升至750r/min后變?yōu)檎也ㄇ也▌?dòng)非常小，符合刮板輸送機(jī)頭尾電機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)行中轉(zhuǎn)速接近的實(shí)際情況。由轉(zhuǎn)矩波形可知，T1、T2在經(jīng)過(guò)前期的波動(dòng)后，穩(wěn)定在37%～55%的動(dòng)態(tài)平衡范圍內(nèi)；在T時(shí)刻，隨著機(jī)頭負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，T1上升，而后T2迅速增加，為頭機(jī)分擔(dān)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)尾機(jī)對(duì)頭機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)跟隨；最終T1、T2穩(wěn)定在41%～61%的范圍內(nèi)，平均轉(zhuǎn)矩均接近于51%，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。頭尾電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩分別如圖8、圖9所示。

圖9 負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的頭尾電機(jī)轉(zhuǎn)矩

對(duì)V2、T1、T2呈正弦波動(dòng)與T1和T2的幅值差進(jìn)行理論分析。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的兩臺(tái)制動(dòng)器內(nèi)部性能存在差異，無(wú)法提供絕對(duì)相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使得頭尾電機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩有一定差異。給定頭尾電機(jī)相同目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使V1、V2處于動(dòng)態(tài)接近狀態(tài)，系統(tǒng)才可穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)中啟動(dòng)電機(jī)后就引入控制程序?qū)2進(jìn)行調(diào)節(jié)，假設(shè)某一時(shí)刻T1大于T2，則增大V2，V2增大一定值后超過(guò)V1，此時(shí)因轉(zhuǎn)速相對(duì)變大進(jìn)而承擔(dān)轉(zhuǎn)矩變大，即T2大于T1，則又減小V2，V2減小一定值后低于V1，此時(shí)T1大于T2，如此循環(huán)，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。因此，V2、T1、T2呈正弦波動(dòng)。頭尾電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩差值范圍Δ、電機(jī)轉(zhuǎn)速改變值、程序循環(huán)時(shí)間、負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小等因素共同影響T1和T2的幅值差，實(shí)驗(yàn)中幅值差達(dá)到20%時(shí)，兩電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

對(duì)其他負(fù)載變化情況進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明，刮板輸送機(jī)功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，控制系統(tǒng)能夠良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的功率協(xié)調(diào)控制。

6 結(jié) 語(yǔ)

以CANopen協(xié)議的PDO數(shù)據(jù)傳輸方式為基礎(chǔ)，采集比較刮板輸送機(jī)頭尾電機(jī)的實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，對(duì)尾機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，并搭建了控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。測(cè)試表明，控制系統(tǒng)的CANopen通信數(shù)據(jù)傳輸正確，可對(duì)尾機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)頭尾電機(jī)在負(fù)載波動(dòng)情況下的功率協(xié)調(diào)控制。刮板輸送機(jī)頭尾電機(jī)實(shí)現(xiàn)功率協(xié)調(diào)控制，對(duì)于提高其運(yùn)行效率、減少能源消耗、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命具有重要意義。本文研究為項(xiàng)目后期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)刮板輸送機(jī)的頭尾電機(jī)協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)提供了指導(dǎo)思想，為刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制研究提供了新方向。