綜采工作面刮板輸送機智能變頻調速控制系統(tǒng)研究與應用

王 偉

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面的煤料傳輸設備，具有控制方便、操作靈活、可實現(xiàn)連續(xù)運輸?shù)奶攸c，在綜采工作面發(fā)揮著不可替代的作用。綜采工作面地質條件復雜、工作環(huán)境惡劣、煤料負載不均衡，刮板輸送機系統(tǒng)常常出現(xiàn)空載、超載現(xiàn)象，嚴重影響刮板輸送機的運行效率并造成電能浪費，甚至引發(fā)煤礦安全事故。因此，研究刮板輸送機智能調速系統(tǒng)是實現(xiàn)綜采工作面安全生產運輸?shù)闹匾胧＞C采工作面刮板輸送機控制系統(tǒng)目前存在的主要問題有：啟動慣性大，啟動沖擊電流大，易對電動機造成損害；恒速控制常常使得帶式輸送機處于輕載甚至空載狀態(tài)，電能浪費嚴重；控制系統(tǒng)落后，設備間未形成連鎖聯(lián)動控制，影響設備運行效率。為此，國內諸多學者開展相關研究，王波等[1]根據(jù)刮板輸送機的動態(tài)特性建立多機功率平衡控制模型，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行。

1 智能調速原理分析

刮板輸送機運行時受到的運行阻力包括基本阻力Fn、附加阻力FN、傾斜阻力FSt以及特殊阻力FS四種，其中Fn為刮板輸送機的輸送帶、托輥以及煤料之間的摩擦阻力之和，對刮板輸送機運行的影響力最大；FN為輸送帶與煤料之間的摩擦以及慣性阻力之和；FSt為輸送帶傾斜時形成的阻力；FS為刮板輸送機實際運行時的工況確定。刮板輸送機運行時需克服上述阻力，因此牽引力Fu可表示為Fu≥Fn+FN+FSt+FS。

刮板輸送機驅動功率P=FuV，其中P 為克服運行阻力所需要的功率，V 為刮板輸送機帶速；則刮板輸送機額定功率P0=（1.15～1.20）P。刮板輸送機運量與帶速的關系可表示為：式中：qm為承載煤料的線密度；Qmin為刮板輸送機的最小運量；vmin為最小運行速度。

刮板輸送機智能調速控制系統(tǒng)基于模糊神經網絡控制實現(xiàn)，模糊控制系統(tǒng)主要包括模糊化（論域變換、模糊處理）模塊、知識庫模塊、模糊決策模塊以及清晰化模塊組成。以刮板輸送機為對象，對控制量帶速進行模糊處理并綜合考慮運行環(huán)境、負載變化等因素實現(xiàn)帶速與負載的模糊控制。為保證刮板輸送機帶速控制效果，加入BP 神經網絡控制，設計輸入層、隱含層、輸出層三層BP 神經網絡結構，對刮板輸送機的負載變換進行預測，并及時調整帶速，實現(xiàn)刮板輸送機智能調速。

2 智能調速方案設計

2.1 總體設計

綜采工作面刮板輸送機智能調速系統(tǒng)總體設計框圖見圖1 所示，刮板輸送機機頭由電動機M1、M2共同驅動，由1 號變頻器對M1 以及M2 進行變頻調速控制，為“一拖二”控制模式；機尾為電動機M3，由2 號變頻器進行變頻調速控制，為“一拖一”控制模式。1 號變頻器與2 號變頻器以CanOpen 總線通信模式與PLC 控制器進行數(shù)據(jù)、指令交互，控制變頻器的啟動、停止、加速、減速，進而實現(xiàn)對機頭、機尾電動機的變頻調速。

圖1 綜采工作面刮板輸送機智能調速系統(tǒng)總體設計

在PLC 控制器內部基于模糊控制以及BP 神經網絡預測控制實現(xiàn)帶速的智能調速，根據(jù)不同的負載，給定變頻器不同的給定轉矩，使得刮板輸送機的帶速隨負載變化動態(tài)調整。1 號變頻器以及2 號變頻器均可運行于轉速以及轉矩模式，由PLC 控制器完成控制。當變頻器運行于轉速模式時,PLC 控制器需對目標轉速、驅動母線電流、制動母線電流以及限制扭矩等參數(shù)進行設置和自適應調節(jié)；變頻器將母線電流值、電動機當前轉速、電動機實際轉矩、電動機溫度、電動機控制溫度以及控制器母線電壓等值反饋給PLC 控制器并參與邏輯控制；當變頻器運行于轉矩模式時，PLC 控制器需對目標轉矩、最大轉速限制等值進行設置和自適應調節(jié)。當變頻器運行時有故障發(fā)生時，將故障信息反饋至PLC 控制器并完成故障解析。由技術人員根據(jù)故障提示解決變頻器故障。

圖2 所示為PLC 控制器與變頻器的CanOpen 通信方案總體設計，采用CanOpen 總線通信專用屏蔽雙絞電纜連接PLC 控制器以及1 號變頻器、2 號變頻器，并在兩側終端并聯(lián)120 Ω 終端電阻，保證通信質量，減少丟包率。PLC 控制器與1 號、2 號變頻器之間的CanOpen 通信需在PLC 控制器中建立和維護，通信波特率根據(jù)刮板輸送機實際通信距離設置為250 kbps，采用29bit 擴展幀格式實現(xiàn)。為保證CanOpen 通信的可靠性、減少丟包率，PLC 控制器擴展兩個CanOpen 通信擴展模塊，實現(xiàn)?？趯Ｓ?。上位機與PLC 控制器間的通信模式為TCP/IP 通信，PLC 控制器擴展TCP/IP 通信模塊，通過TCP/IP 通信將刮板輸送機運行時的所有數(shù)據(jù)上傳至上位機，用于監(jiān)視和控制刮板輸送機的運行。在PLC 控制內編寫TCP/IPsocket 通信程序，實時將刮板輸送機運行數(shù)據(jù)以socket 方式發(fā)送給上位機，同時接收上位機的控制指令[2-3]。

圖2 控制系統(tǒng)通信方案總體設計圖

2.2 硬件設計

綜采工作面刮板輸送機智能調速系統(tǒng)的1 號以及2 號變頻器都選用西門子礦用高精度矢量變頻器MASTER-DRIVESVC，該變頻器采用矢量控制技術，基于CAN/CanOpen 總線通信模式實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，利用編碼器、速度傳感器實現(xiàn)信號實時反饋并形成高精度速度雙閉環(huán)控制，進而實現(xiàn)對刮板輸送機機頭、機尾電動機的變頻控制。控制器選用西門子CPU315-2DP 以及SM321DI、SM322DO、SM3318×12 bit、CP343 等擴展模塊共同構成PLC 控制系統(tǒng)。根據(jù)刮板輸送機智能調速控制系統(tǒng)控制方案。

2.3 軟件設計

綜采工作面刮板輸送機智能調速系統(tǒng)軟件在PLC 控制器內部實現(xiàn)，利用模糊控制以及BP 神經網絡控制實現(xiàn)帶速與負載協(xié)同控制。PLC 控制器內的控制回路1 控制機頭電動機M1 以及M2，輸入信號為機頭電動機的運行速度ω*，反饋速度為ωr，經速度模擬PI 調節(jié)器后控制電動機的給定轉矩為，該值經轉矩調節(jié)器1 以及轉矩計算模塊后輸出至1 號變頻器，進而控制機頭M1、M2 電動機按照調節(jié)后的轉矩值運轉。PLC 控制器內的控制回路2 控制機尾電動機M3，輸入額定轉矩為，經轉矩調節(jié)器2 后輸出至2號變頻器，進而完成對機尾電動機的控制。刮板輸送機機頭、機尾電動機運行時需考慮功率平衡問題，即利用，保證機頭、機尾電動機輸出功率基本平衡，使得刮板輸送機穩(wěn)定、連續(xù)運行。

3 應用效果分析

本文設計并實現(xiàn)的綜采工作面刮板輸送機智能調速系統(tǒng)在某煤礦綜采工作面完成6 個月的工業(yè)試驗，為驗證該調速系統(tǒng)的正確性和應用效果，第一個月采用傳統(tǒng)恒速控制方案，刮板輸送機日平均電能消耗量約為14 700 kW·h，平均帶速為4.1 m/s，因機頭、機尾功率不平衡導致輸送帶抖動以及散落煤料的故障為12 次；第二個月采用設計的智能調速方案，刮板輸送機日平均電能消耗量約為10 390 kW·h，電能消耗降低了29.32%；平均帶速為3.92 m/s，降低了4.4%，未出現(xiàn)輸送帶抖動、散落煤料的現(xiàn)象，刮板輸送機運行穩(wěn)定。后續(xù)4 個月采用智能調速方案，刮板輸送機運行連續(xù)、穩(wěn)定[4]。

4 結論

本文以綜采工作面刮板輸送機為研究對象，基于變頻控制、模糊神經網絡控制技術設計并實現(xiàn)智能調速系統(tǒng)并得出以下結論：

1）根據(jù)綜采工作面刮板輸送機運行狀況，基于變頻控制、模糊控制以及BP 神經網絡預測控制技術設計智能調速方案，使得帶速與負載協(xié)同、動態(tài)自適應調整；

2）實際應用情況表明，該智能調速方案能夠保證刮板輸送機高效、節(jié)能運行，提升綜采工作面生產效率。