基于CANopen的刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

楊引鎖

(西山煤電集團(tuán) 山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200)

刮板輸送機(jī)是煤礦綜采工作面重要的連續(xù)運輸設(shè)備，具有運輸線路長、承載量大等特點[1]. 在井下，刮板輸送機(jī)的運行工況復(fù)雜多變，受采煤機(jī)運行速度、液壓支架狀態(tài)的影響較大。刮板輸送機(jī)由機(jī)頭、機(jī)尾兩臺交流變頻電機(jī)共同驅(qū)動，在工作狀態(tài)下，刮板輸送機(jī)鏈條處于勻速運行狀態(tài)，隨著采煤機(jī)運行速度的變化，刮板輸送機(jī)局部承載量不同，導(dǎo)致機(jī)頭機(jī)尾功率失衡或振蕩，可能會造成機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)欠載或超載，長時間運行會使刮板輸送機(jī)的工作效率降低，甚至引發(fā)安全事故[2-3].

1 控制方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

煤礦用刮板輸送機(jī)變頻控制方案的總體設(shè)計見圖1，刮板輸送機(jī)機(jī)頭包含2臺隔爆型三相異步電動機(jī)，機(jī)尾包含1臺隔爆型三相異步電動機(jī)。當(dāng)刮板輸送機(jī)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)后，如果想保持機(jī)頭電機(jī)功率與機(jī)尾電機(jī)功率平衡，由電動機(jī)功率與電流的關(guān)系可知，只要保證機(jī)頭電機(jī)和機(jī)尾電機(jī)電流平衡即可，即根據(jù)負(fù)載變化，PLC控制器通過控制變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得機(jī)頭電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)矩的差值在合理范圍內(nèi)，避免電機(jī)出現(xiàn)欠載或者過載的現(xiàn)象[4-6]. 刮板輸送機(jī)中3個電機(jī)的額定功率相同，在該變頻控制系統(tǒng)中，包含3個隔爆型三相異步電動機(jī)、有四象限控制功能的礦用變頻器2臺、CANopen通信數(shù)據(jù)鏈路以及PLC控制器。3臺異步電動機(jī)是控制目標(biāo)，通過PLC控制器獲取、分析刮板輸送機(jī)運行時各參數(shù)，以CANopen通信方式控制變頻器，進(jìn)而由變頻器1以及變頻器2分別控制機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)，保證機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)矩與機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)矩的差值在合理范圍之內(nèi)。

圖1 刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾功率平衡結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)刮板輸送機(jī)的負(fù)載變化進(jìn)行機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率平衡控制，示意圖見圖2，對于機(jī)頭電機(jī)，當(dāng)PLC控制器經(jīng)過邏輯判斷后，機(jī)頭電機(jī)電流增大，則判斷出負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，需要相應(yīng)地降低機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，升高機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)PLC控制器識別出機(jī)頭電機(jī)電流減少后，則判斷負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，需要相應(yīng)地升高機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速；對于機(jī)尾電機(jī)，當(dāng)PLC控制器經(jīng)過邏輯判斷后，機(jī)尾電機(jī)電流減小，則判斷出負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，需要相應(yīng)的升高機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)PLC控制器識別出機(jī)尾電機(jī)增大后，則判斷負(fù)載減小，需要相應(yīng)地降低機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，升高機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 依據(jù)負(fù)載變化的機(jī)頭機(jī)尾功率平衡控制圖

1.2 CANopen通信設(shè)計

PLC控制器與變頻器之間以CANopen通信模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。設(shè)置控制機(jī)頭電機(jī)的變頻器1的節(jié)點地址為0×02，設(shè)定控制機(jī)尾電機(jī)的變頻器2的節(jié)點地址為0×03，CANopen通信速率為250 kbps. PLC控制器以SDO配置變頻器參數(shù)，以PDO進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳送。在CANopen通信系統(tǒng)中，變頻器端配置有4個RPDO、4個TPDO，TPDO用于傳送變頻器的實時數(shù)據(jù)信息，如變頻器的狀態(tài)、模式、直流母線電壓、輸入電流、編碼器的反饋速度等，RPDO用于改變變頻器的控制字、模式、給定轉(zhuǎn)速、給定轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。每個PDO傳送的數(shù)據(jù)量為8個字節(jié)，其參數(shù)映射分配表見表1.

由圖1可見，隨著海水濃度的增加，實驗組厚萼凌霄種子的發(fā)芽率總體呈下降趨勢：當(dāng)海水濃度在1%以下時，發(fā)芽率下降趨勢較平緩；當(dāng)海水濃度大于1%時，發(fā)芽率下降趨勢顯著。實驗組厚萼凌霄種子發(fā)芽率的具體變化為：當(dāng)海水濃度為1%時，種子發(fā)芽率為46.67%，是對照組的93%；在海水濃度為5%時，種子發(fā)芽率為36.67%，是對照組的73%；當(dāng)海水濃度為10%時，種子發(fā)芽率為26.67%，是對照組的53%；當(dāng)海水濃度為20%時，種子發(fā)芽率為20.00%，是對照組的40%；當(dāng)海水濃度為30%時，種子發(fā)芽率為13.33%，是對照組的27%；當(dāng)海水濃度為40%時，種子發(fā)芽率為10.00%，是對照組的20%。

2.2.1 千粒重。施用磷肥能增加小麥的千粒重詳見表4，分析可知施用磷肥的小麥千粒重平均為40.3 g，比未施用磷肥的小麥千粒重38.0 g重2.3 g。

PLC控制器與變頻器在進(jìn)行CANopen通信時，PLC控制器通過發(fā)送0×6021的控制器、0×6022的模式、0×6030的給定轉(zhuǎn)速以及0×6031的給定轉(zhuǎn)矩來控制變頻器進(jìn)入對應(yīng)的狀態(tài)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)矩控制。同時，變頻器將當(dāng)前的狀態(tài)信息以及運行過程中的各個參數(shù)信息以TPDO的形式傳送給PLC控制器，如0×3021的狀態(tài)信息、0×4021的錯誤代碼。

刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾功率平衡CANopen通信的軟件流程見圖3，首先需要完成變頻器與CANopen通信模塊的參數(shù)初始化，具體包括變頻器節(jié)點的設(shè)置、CANopen通信速率的設(shè)置以及軟件程序中用到的變量、定時器、計數(shù)器以及內(nèi)存空間的初始化。接著需要配置CANopen通信模塊的PDO變量映射，參考表1. 完成PDO變量映射配置后，創(chuàng)建PSOD數(shù)據(jù)的讀寫指令塊，Swap指令轉(zhuǎn)換PDO原始數(shù)據(jù)。PLC控制器發(fā)送0×6021控制字切換變頻器至允許運行狀態(tài)，可通過變頻器返回的0×3021狀態(tài)字進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)變頻器處于允許運行狀態(tài)后，啟動變頻器運行。需要通過變頻器返回的0×4021判斷當(dāng)前狀態(tài)變頻器是否有故障，如果有故障，則停止變頻器運行，結(jié)束CANopen通信過程。如果變頻器無故障，則PLC控制器采集并比較刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的實時轉(zhuǎn)矩，使得二者實時轉(zhuǎn)矩的差值保持在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)差值超出該范圍后，通過調(diào)節(jié)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的功率平衡。

表1 CANopen通信中PDO變量參數(shù)映射分配表

圖3 刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾功率平衡CANopen通信設(shè)計圖

2 HMI人機(jī)界面

基于CANopen的刮板輸送機(jī)變頻控制方案的HMI人機(jī)界面以威倫通的eMT3070B人機(jī)界面為平臺實現(xiàn)。在該HMI人機(jī)界面中，實時顯示機(jī)頭電機(jī)、機(jī)尾電機(jī)的狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，實時顯示變頻器的通信狀態(tài)、控制字、狀態(tài)、運行模式、故障代碼等重要參數(shù)，方便技術(shù)人員掌握變頻器的運行情況。另外，針對該變頻控制系統(tǒng)的各個故障信息，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不僅有故障提示，而且會提示解決該故障的基本方法，使得故障能夠及時、快速地解決，保證刮板輸送機(jī)的穩(wěn)定、連續(xù)運行。刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)HMI人機(jī)界面見圖4.

可我爹就是不同意只給人家三個蛋，雖說村委會借了債，可你打了窯置下固定資產(chǎn)呀。我父親一直努嘴，要求在床上加個蛋。兩人僵持著，實在拗不過老人家，眼看他又像水碓舂米樣舂瞌，馬上就會昏昏沉睡，李打油這才從籃子里抓出一個蛋，猶豫了好一會兒，終于痛下決心，發(fā)狠樣在桌邊一磕，手一扒，讓蛋白蛋黃一分為二分別流進(jìn)了兩只茶杯。那一刻，我突然有流淚的感覺。

圖4 刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)HMI人機(jī)界面圖

3 結(jié) 語

刮板輸送機(jī)是煤礦綜采工作面重要的動力輸送設(shè)備，其安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行是提高綜采工作面生產(chǎn)效率的重要保障。目前，越來越多的刮板輸送機(jī)采用雙端驅(qū)動方式，機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的功率平衡成為亟待解決的問題。設(shè)計基于CANopen通信的刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)，通過變頻器調(diào)節(jié)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證其轉(zhuǎn)矩差處于合理區(qū)間，保證機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)不發(fā)生欠載、超載的現(xiàn)象，提高了刮板輸送機(jī)的工作效率和使用壽命。