基于ACS880变频器XD2D主从功能的采煤机牵引调速系统设计

2019-04-17陈鹏黎青

煤矿机电 2019年2期

陈鹏，黎青

(天地科技股份有限公司上海分公司, 上海 201808)

0 引言

增大采煤机的功率，有利于提高采煤机的机械安全裕度，增大其适应范围[1]。大装机功率意味着大的牵引功率，无论是极薄煤层还是特厚煤层，都要求采煤机牵引调速系统功率密度大、尺寸小、抗振性能高、可靠性强。采煤机牵引调速系统通常采用一台变频器拖动一台牵引电动机的“一拖一”方式，两台变频器分别设置成主机和从机。“一拖一”方式比“一拖二”方式优点更突出，能精确控制每一台牵引电动机，控制精度高，牵引系统的控制和保护性能更完善。“一拖二”方式的变频器由于没有两台电动机的负荷平衡控制，选型时为防止电动机过载，裕量要留得比较大，不利于成本控制。

由于煤矿井下工况环境复杂多变，采煤机牵引力不足往往是影响煤矿正常生产的严重问题。在“一拖一”控制方式下，两台电动机的负荷平衡控制至关重要，如果控制不好，两台电动机出力不一致，动态响应跟不上，容易导致单台电动机过载，严重时会烧毁电动机。通常情况下，采煤机牵引电动机负荷平衡控制通常使用变频器主从功能，典型的应用是采用ABB公司ACS800变频器的主从功能。

ACS800变频器主从链路采用光纤通信介质，光纤在采煤机牵引调速系统上应用时，受机械强度差、弯曲半径小、光纤头井下易受污染等条件限制，可靠性和维修便捷性都不甚理想。本文采用ACS880变频器XD2D主从功能设计采煤机牵引调速系统，采用普通屏蔽双绞线有效地解决了这一问题，具有控制精度高、成本低、可靠性高、维护简单的优点。

1 ACS880的XD2D方式的主从控制功能

1.1 ACS880 XD2D的主从功能

ACS880变频器连接起来组成主从链路，可以使用光纤电缆，但需要一个额外的FDCO通信模块，也可以使用XD2D端子之间的屏蔽双绞线电缆。XD2D连接方式的原理如图1所示，变频器与变频器通信间链路是一个RS-485总线传输的环网，允许一台主机和多台从机的基本主从通信。变频器设置终端电阻，可提高通信信号质量。

图1 ACS880 XD2D主从电缆接线方式原理图

1.2 ACS880 XD2D的主从优势

ACS880的XD2D主从与ACS800主从功能的比较见表1。如表1所示，XD2D方式允许链路的最大长度为50 m，主机和从机之间传输给定值最大延迟小于5 ms，传输速率达4 Mbit/s，高于ACS800变频器采用光纤主从时的性能。XD2D最大优势是采用普通屏蔽双绞线，避免光纤井下应用时的可靠性和维护困难问题。ACS880的XD2D主从功能通信速度高、可靠性高、投资成本低，适用于采煤机牵引调速系统。

2 ACS880的XD2D方式的调速系统硬件设计

ACS880变频器的主从功能的主机为速度控制，从机为转矩控制，从机跟随主机。如图2所示，图中采煤机电气控制系统作为变频器的上位机，把控制字、速度、转矩的指令发送到主变频器。ACS880变频器配置FSCA-01的RS-485总线适配模块，满足Modbus RTU协议。变频器间的通信采用XD2D端口，其本质是RS-485通信，通信介质采用普通屏蔽双绞线。

表1 ACS880的XD2D主从与ACS800主从功能的比较

图2 采煤机牵引调速系统硬件总框图

3 变频器XD2D方式的主/从通信参数设置

ABB公司ACS880系列变频器在XD2D主从应用时，主要针对60组、61组和62组参数设置主机和从机参数。

1) 60.01 主从通信端口。设置为XD2D方式，定义主从通信硬件连接方式。

2) 60.02 主从节点地址。主机设置为1 ，从机设置为2，用于多个从机应用时区分主机监视的从机数据。

3) 60.03 主从模式。默认为未使用，定义变频器在主从链路上的角色。

(1) DDCS主设备。变频器是主从DDCS链路上的主设备，DDCS链路由光纤电缆或XD2D方式的屏蔽双绞线电缆组成。采用XD2D主从控制时，主机应设置为DDCS主设备，上位机的控制指令要发送给这台变频器。

(2) DDCS从设备。变频器是主从DDCS链路上的从设备。采用XD2D主从控制时，从机应设置为DDCS从设备，上位机不必向这台变频器发控制指令，本台变频器的控制指令来自主机。

(3) D2D主设备。变频器是变频器间D2D链路上的主设备。D2D传动到传动的连接需要变频器包含N8010授权信息，使用ACS880应用编程编程，能够更灵活的实现变频器间的数据传递。

(4) D2D从设备。变频器是变频器间D2D链路上的从设备。

(5) DDCS强制。变频器在主从DDCS链路上的角色由其他参数定义。

(6) D2D强制。变频器在D2D链路上的角色由其他参数定义。

4) 60.05 主从硬件连接。定义主从链路的拓扑结构，采用XD2D主从方式必须使用星型连接。

5) 60.14 主从从机选择。该参数仅在主机中设置，定义从哪些从设备读取数据。主机参数应设置为从设备2。

6) 60.17 从机故障。该参数仅在主机中设置，此处主机参数设置为故障，即从机故障时主机因FF7E故障跳闸。相当于增加启动互锁功能，防止从变频器故障时故障范围扩大化。

7) 61组 D2D和DDCS发送数据。定义发送到DDCS链路的数据。

主机向从机发送的控制指令数据包括控制字、给定值1和给定值2，具体参数设置为：62.01 主从数据1选择=从机控制字，62.02 主从数据2选择=实际速度给定值，62.03 主从数据3选择=转矩给定值5实际值。

从机向主机发送的状态数据包括状态字、状态值1和状态值2，具体参数设置为：62.01 主从数据1选择=状态字 16位，62.02 主从数据2选择=状态字1 16位，62.03 主从数据3选择=状态字2 16位。

8) 62组 D2D和DDCS接收数据。定义通过DDCS链路接收数据的映射。62.01主/从数据1选择、62.01主/从数据1选择和62.01主/从数据1选择三个参数定义了从机接收到的主机数据的用途，仅需要在从机中设置，具体设置为：62.01=控制字 16位，62.02=给定值1 16位，62.03=给定值2 16位。

9) 19.12 Ext1 控制模式，此参数设置变频器运行模式，默认为速度，主机设置为速度模式，从机设置为相加。

(1) 速度。速度控制采用的转矩给定值来自速度给定链输出。从机的速度指令来自主机的速度。主从机的电动机轴采用柔性连接时，可以采用此设置，允许主从机间存在轻微速度差别。

(2) 转矩。转矩控制采用的转矩给定值为转矩给定链输出。从机的转矩给定值来自主机的转矩链输出，适用于主从机的电动机轴为刚性连接，不允许出现速度差。

(3) 最小。转矩选择器在速度控制器输出和转矩给定值中取值较小的一个。仅在特殊场合下使用。

(4) 最大。转矩选择器在速度控制器输出和转矩给定值中取值较大的一个。仅在特殊场合下使用。

(5) 相加。转矩选择器将速度给定值链输出加到转矩给定值链输出。变频器在正常的运行时为转矩控制，出现速度偏差超过窗口范围时，视窗控制会使误差送到速度控制器，通过速度控制器的输出引起速度升高或降低，以增加或减少内部转矩给定值。采用相加选项和视窗控制一起使在转矩控制模式下的从机形成了一种速度监视功能[2]，同时保证了从机跟随主机的动态响应性能。对于采煤机牵引调速系统而言，两牵引电机间不同于完全的刚性连接，允许微小的速度差，因此从机参数宜采用相加设置。

10) 24.41 速度误差窗口控制方式。允许或者禁用速度误差窗口控制，使变频器具备转矩控制的速度监测功能。速度误差窗口控制仅在相加模式激活时，或在变频器为从机速度控制时有效。从机应允许速度误差窗口控制。同时设置24.43速度误差窗口控制上限=40 r/min，速度误差窗口控制下限=40 r/min。

11) 20.01 Ext1 命令。选择外部控制地1的启动、停止和方向命名源。主机设置为现场总线A，配置FSCA-01模块；从机设置为主从连接，即控制指令来自主从链路上的主机。

12) 从机给定源选择，采用XD2D主从功能的从机，需要设置：22.11 速度给定1选择=主从给定值1，26.11 转矩给定1选择=主从给定值2。