刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

高存飛

(山西焦煤汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 賀西煤礦，山西 呂梁 033000)

0 引 言

刮板輸送機(jī)是煤礦井下綜采工作面的核心設(shè)備，與綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)息息相關(guān)。刮板輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在長(zhǎng)時(shí)間空載、輕載現(xiàn)象，無(wú)法滿足智能煤礦節(jié)能降耗的目的[1-2]。因此，結(jié)合模糊控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)具備智能調(diào)速功能的刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)成為提升設(shè)備工作效率的重要目標(biāo)。

刮板輸送機(jī)存在空載、輕載運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，電能浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，因而對(duì)綜采工作面高效、安全生產(chǎn)帶來(lái)諸多不利和困難。模糊控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為綜采刮板輸送機(jī)高效、智能化運(yùn)行帶來(lái)便利，應(yīng)用模糊變頻調(diào)速技術(shù)可以達(dá)到刮板輸送機(jī)智能運(yùn)行、自適應(yīng)調(diào)速的目的。

基于模糊變頻調(diào)速技術(shù)提出的刮板輸送機(jī)智能控制方案，在簡(jiǎn)單分析方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)模糊控制算法進(jìn)行闡述，通過(guò)仿真和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證設(shè)計(jì)算法的適用性和正確性，達(dá)到刮板輸送機(jī)自適應(yīng)調(diào)速、智能化運(yùn)行的目的，對(duì)提升煤礦井下綜采工作面作業(yè)效率具有重要意義。

1 方案設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制方案設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1所示，機(jī)頭由1#變頻器驅(qū)動(dòng)1#電動(dòng)機(jī)，機(jī)尾由2#變頻器驅(qū)動(dòng)2#電動(dòng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)以CAN總線通訊模式對(duì)1#、2#變頻器進(jìn)行控制，在控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)模糊變頻控制算法。

圖1 刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制方案設(shè)計(jì)原理

控制系統(tǒng)與人機(jī)交互界面之間以CAN總線通訊完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)顯示刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障信息等。

2 方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制方案的硬件包括核心芯片、變頻器、速度傳感器、稱重傳感器等。選用STM32F107VCT6 DSP為核心芯片，擴(kuò)展實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、JTAG接口電路、存儲(chǔ)電路、CAN總線通訊電路等組成最小系統(tǒng)。選用2套BPJV-2*630/1.14型高壓組合變頻器分別驅(qū)動(dòng)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)，具備轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制模式并支持CAN總線通訊控制模式[3-4]。速度傳感器選用的型號(hào)為L(zhǎng)K-G5000-1，支持±10V、4～20mA電壓、電流信號(hào)輸出，同時(shí)支持RS232接口，波特率可設(shè)置范圍為9 600～115 200 bps，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8bit，停止位為1bit；供電電源為24 VDC。稱重傳感器選用的型號(hào)為STC-9-1，可輸出4～20mA電流信號(hào)，稱重精度為±3%FDS。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的非線性、時(shí)變性特點(diǎn)，采用模糊變頻控制方案實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制。設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)模糊變頻控制原理見(jiàn)圖2所示，采用比例因子進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的控制器有利于刮板輸送機(jī)的自適應(yīng)控制，從原理上保證了在非線性、時(shí)變性的刮板輸送機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)中引入模糊變頻控制策略后，該系統(tǒng)的性能能得到改善。

圖2 刮板輸送機(jī)電機(jī)模糊變頻控制原理圖

圖3 電壓PWM控制信號(hào)示意圖

HTime(nT)=HTime[(n-1)T]+u(nT)·GU

(1)

式中：GU為輸出變量u的比例因子。

(2)

式中“×”運(yùn)算的含義定義為式(3)：

(3)

式中：“∨”表示取大運(yùn)算；“∧”表示取小運(yùn)算。

(4)

(5)

式中：y為轉(zhuǎn)換后的變量，論域?yàn)閇-7，+7]；x為轉(zhuǎn)換前的變量，論域?yàn)閇a,b]。

E=INT[GEC·ei]

(6)

(7)

通過(guò)上述公式即可將速度誤差與速度誤差變化精確量轉(zhuǎn)換為區(qū)間[-7，+7]上的離散量。15個(gè)量化等級(jí)對(duì)7檔模糊子集的隸屬度賦值表，μ為隸屬度值，取值為0～1。

對(duì)于電機(jī)速度誤差e,當(dāng)e為負(fù)時(shí)表明電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于電機(jī)給定轉(zhuǎn)速,這時(shí)要求減小PWM調(diào)制信號(hào)的占空比，從而降低相繞組上工作電壓以降低電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，逐步趨近給定轉(zhuǎn)速；當(dāng)e為正時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速，這時(shí)應(yīng)該加大PWM調(diào)制信號(hào)的占空比使電動(dòng)機(jī)調(diào)速[7-8]。

表1 模糊規(guī)則表

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 仿真測(cè)試

圖4 模數(shù)控制器仿真模型

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為T(mén)L=0.0、1.6 N·m，給定轉(zhuǎn)速分別為n=200、400、800 r/min條件下，對(duì)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真并得到響應(yīng)仿真曲線。

系統(tǒng)在不同給定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)超調(diào)量均為0；圖5為給定轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，圖6為系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間和轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的仿真結(jié)果，其中曲線1對(duì)應(yīng)的給定轉(zhuǎn)速為n=800 r/min，曲線2對(duì)應(yīng)的給定轉(zhuǎn)速為n=400 r/min，曲線3對(duì)應(yīng)的給定轉(zhuǎn)速為n=200 r/min。

圖5 n=800 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖6 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速上升時(shí)間曲線

從圖中可以看出，在同一給定轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間和轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間均相應(yīng)減小；在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，隨著給定轉(zhuǎn)速的增加，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間和轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間均相應(yīng)增加。從仿真結(jié)果看出，雖然系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間和轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，但時(shí)間都較短，可見(jiàn)采用模糊控制策略的刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快。

3.2 應(yīng)用測(cè)試

在汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦3318智能化綜采工作面進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，刮板輸送機(jī)為SGZ800/1050，輸送量為1 500 t/h，鏈速為1.5 m/s，機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)額定功率均為525 kW，采用BPJV-2*630/1.14型高壓組合變頻器，可獨(dú)立輸出3個(gè)回路并可應(yīng)用于1 250 kW及以下三相交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。經(jīng)過(guò)3個(gè)月工業(yè)試驗(yàn)，刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)了變頻啟動(dòng)且啟動(dòng)時(shí)間可根據(jù)煤量適當(dāng)調(diào)節(jié)，減少了對(duì)鏈條的沖擊力，延長(zhǎng)了機(jī)械部件的使用壽命。刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可根據(jù)煤料載量對(duì)鏈速進(jìn)行變頻調(diào)速控制，減少了空載、輕載運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié) 論

以刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)硬件、算法設(shè)計(jì)思路和方法，基于STM32F107VCT6 DSP芯片，結(jié)合模糊控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)了刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制方案并完成系統(tǒng)測(cè)試。

(1) 在滿足刮板輸送機(jī)輸送量的前提下，實(shí)現(xiàn)了鏈速自適應(yīng)調(diào)節(jié)，減少了設(shè)備空載、輕載運(yùn)行現(xiàn)象，節(jié)約了電能。

(2) 經(jīng)仿真、應(yīng)用測(cè)試，刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制方案滿足設(shè)計(jì)要求，提升了刮板輸送機(jī)的智能化水平，有助于提升綜采工作面的作業(yè)效率。