电牵引采煤机行走部变频控制方案的设计与实现*

2020-06-02布朋生

煤矿机电 2020年2期

布朋生

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 引言

电牵引采煤机由行走部、调高系统、截割部以及其他辅助机构共同组成，完成采煤机的3种动作：沿刮板机水平牵引，沿综采工作面竖直方向的滚筒调高，螺旋滚筒截割煤壁。行走部由牵引电动机、变频器以及传动系统组成，传动系统将牵引电动机输出的转矩输出至齿轨轮，驱动采煤机左右行走。行走部的驱动方式主要有液压驱动、直流电动机驱动以及交流变频驱动3种方式，其中液压驱动由于系统实现复杂、调速范围狭窄、维护成本高、效率低下等原因逐渐被淘汰[1]。直流电动机驱动技术由于系统体积庞大、维护工作量巨大等缺点也逐渐不再使用[2]。交流变频驱动技术以其系统实现简单、无极平滑调速、调速范围宽、维护成本小、运行效率高等优点，成为采煤机行走部的主流驱动方式，尤其是采用四象限交流变频器，不仅减少了制动能量损耗，还实现了减速过程中的能量回馈，既节能又环保[3-4]。电牵引采煤机行走部采用变频驱动方案，能够满足采煤机的恶劣工况，减少维护量，保证采煤机工作效率。

1 系统设计

行走部变频控制方案如图1所示，它以PLC控制器为核心，主要由初始化模块、CAN通信模块、模式控制模块、行走电动机保护模块、变频行走控制模块、远程操作模块以及HMI模块组成。对于采煤机行走控制，分为本地控制和远程控制两种模式，本地控制即在采煤机本地进行行走控制，该模式常用于对采煤机单机设备进行检测和维修；远程控制即利用远程操作台对采煤机进行行走控制，该模式为采煤机用于生产时的控制模式。

为保证采煤机安全、连续、稳定运行，对行走部的控制模式分为变频控制和工频控制，当变频控制模式出现故障时，切换至工频模式运行。采煤机行走部处于工频模式时，对行走电动机的保护有过流/过载，缺相/断相，过热、两相黏连等措施。PLC控制器除与变频器进行CAN通信外，PLC控制器与HMI人界面、与远程操作平台均采用CAN通信传送数据。行走部变频控制方案中配备有HMI人机界面，便于技术人员对采煤机行走部进行调试，也为发现故障、解决故障提供方便。行走部对行走电动机的变频控制动作有启动、停止、正向加速、正向减速、反向加速、反向减速以及带速、保持等。

图1 行走部变频控制方案

2 软件设计

2.1 PLC控制方案

PLC软件控制方案如图2所示，PLC程序共分为5部分:初始化子程序、通信子程序、行走电动机保护子程序、行走控制子程序、其他辅助子程序。

1) 初始化子程序主要完成对系统数字量输入点初始化以及延时处理，以防抖动带来的干扰；对PLC控制软件系统中用到的全局变量以及内存空间进行初始化操作，一般将BOOL型变量初始化为false，将非BOOL型变量全部初始化为0。

2) 通信子程序流程图见图2所示，PLC控制器与变频器之间以CAN通信模式进行数据交互。首先PLC控制器发起CAN通信连接建立过程，连接建立成功后，PLC控制可以对要发送的数据进行打包处理并发送，对接收到的变频器的数据进行解析，并将用于行走控制的变量发送给行走控制子程序。PLC控制器同时判断当前CAN通信连接是否正常，如果正常，则继续进行数据打包、解析工作；如果通信不正常，则重新建立CAN通信连接建立过程。

3) 行走电动机保护子程序主要完成在工频模式下，其保护种类有过流过载保护、过热保护、缺相断相保护、两相粘连保护等措施。

4) 行走控制子程序流程见图2所示，该子程序接收到通信子程序的数据后，对行走电动机进行逻辑控制。待行走电动机启动后，初始转速为Nr/min，按“正向加速”按钮后，转速开始增加，松开后，转速保持现有值不变；其他按钮与“正向加速”按钮功能设置方法一致。

2.2 PLC程序为变频器启动的程序

如下述PLC程序为变频器启动后，控制采煤机行走部正转条件下加速/减速、反转条件下加速/减速的程序实现:即

IF NOT xForeOrRev THEN

(*变频器启动后，正转条件下加速*)

ForeSpeedUp;

图2 PLC软件控制方案

(*变频器启动后，正转条件下减速*)

ForeSpeedDown;

ELSE

(*变频器启动后，反转条件下加速*)

RevSpeedUp;

(*变频器启动后，反转条件下减速*)

RevSpeedDown;

END_IF

(*变频器启动后，正转条件下减速*)

IF NOT xSpeedup AND xSpeedown THEN (*闭合减速且非闭合加速*)

gTargetVelocity := gTargetVelocity-1; (*转速每10ms减1*)

IF gTargetVelocity <= 60 THEN (*转速持续减至60后保持不变*)

gTargetVelocity := 60;

END_IF

3 通信方案

电牵引采煤机行走部采用CAN通信模式进行数据传送，如图3所示，PLC控制器与行走变频器、远程操作台以及HMI人机界面之间用CAN通信专用屏蔽双绞线连接，分为CANH和CANL 2条通信信号线，另外为保证CAN通信的稳定性和可靠性，需要在每一天设备中并联120 Ω的终端电阻[5]。CAN通信速率一般设置为19 200 bit/s，若两设备距离较短，可以将速率调高，距离较长时，将速率调低，否则会增加CAN通信的数据丢包率。