综采工作面刮板输送机智能变频调速控制系统研究与应用

2022-09-25王伟

机械管理开发 2022年8期

王伟

（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司，山西临汾 041000）

引言

刮板输送机是煤矿井下综采工作面的煤料传输设备，具有控制方便、操作灵活、可实现连续运输的特点，在综采工作面发挥着不可替代的作用。综采工作面地质条件复杂、工作环境恶劣、煤料负载不均衡，刮板输送机系统常常出现空载、超载现象，严重影响刮板输送机的运行效率并造成电能浪费，甚至引发煤矿安全事故。因此，研究刮板输送机智能调速系统是实现综采工作面安全生产运输的重要措施。综采工作面刮板输送机控制系统目前存在的主要问题有：启动惯性大，启动冲击电流大，易对电动机造成损害；恒速控制常常使得带式输送机处于轻载甚至空载状态，电能浪费严重；控制系统落后，设备间未形成连锁联动控制，影响设备运行效率。为此，国内诸多学者开展相关研究，王波等[1]根据刮板输送机的动态特性建立多机功率平衡控制模型，实现系统节能运行。

1 智能调速原理分析

刮板输送机运行时受到的运行阻力包括基本阻力Fn、附加阻力FN、倾斜阻力FSt以及特殊阻力FS四种，其中Fn为刮板输送机的输送带、托辊以及煤料之间的摩擦阻力之和，对刮板输送机运行的影响力最大；FN为输送带与煤料之间的摩擦以及惯性阻力之和；FSt为输送带倾斜时形成的阻力；FS为刮板输送机实际运行时的工况确定。刮板输送机运行时需克服上述阻力，因此牵引力Fu可表示为Fu≥Fn+FN+FSt+FS。

刮板输送机驱动功率P=FuV，其中P 为克服运行阻力所需要的功率，V 为刮板输送机带速；则刮板输送机额定功率P0=（1.15～1.20）P。刮板输送机运量与带速的关系可表示为：式中：qm为承载煤料的线密度；Qmin为刮板输送机的最小运量；vmin为最小运行速度。

刮板输送机智能调速控制系统基于模糊神经网络控制实现，模糊控制系统主要包括模糊化（论域变换、模糊处理）模块、知识库模块、模糊决策模块以及清晰化模块组成。以刮板输送机为对象，对控制量带速进行模糊处理并综合考虑运行环境、负载变化等因素实现带速与负载的模糊控制。为保证刮板输送机带速控制效果，加入BP 神经网络控制，设计输入层、隐含层、输出层三层BP 神经网络结构，对刮板输送机的负载变换进行预测，并及时调整带速，实现刮板输送机智能调速。

2 智能调速方案设计

2.1 总体设计

综采工作面刮板输送机智能调速系统总体设计框图见图1 所示，刮板输送机机头由电动机M1、M2共同驱动，由1 号变频器对M1 以及M2 进行变频调速控制，为“一拖二”控制模式；机尾为电动机M3，由2 号变频器进行变频调速控制，为“一拖一”控制模式。1 号变频器与2 号变频器以CanOpen 总线通信模式与PLC 控制器进行数据、指令交互，控制变频器的启动、停止、加速、减速，进而实现对机头、机尾电动机的变频调速。

图1 综采工作面刮板输送机智能调速系统总体设计

在PLC 控制器内部基于模糊控制以及BP 神经网络预测控制实现带速的智能调速，根据不同的负载，给定变频器不同的给定转矩，使得刮板输送机的带速随负载变化动态调整。1 号变频器以及2 号变频器均可运行于转速以及转矩模式，由PLC 控制器完成控制。当变频器运行于转速模式时,PLC 控制器需对目标转速、驱动母线电流、制动母线电流以及限制扭矩等参数进行设置和自适应调节；变频器将母线电流值、电动机当前转速、电动机实际转矩、电动机温度、电动机控制温度以及控制器母线电压等值反馈给PLC 控制器并参与逻辑控制；当变频器运行于转矩模式时，PLC 控制器需对目标转矩、最大转速限制等值进行设置和自适应调节。当变频器运行时有故障发生时，将故障信息反馈至PLC 控制器并完成故障解析。由技术人员根据故障提示解决变频器故障。

图2 所示为PLC 控制器与变频器的CanOpen 通信方案总体设计，采用CanOpen 总线通信专用屏蔽双绞电缆连接PLC 控制器以及1 号变频器、2 号变频器，并在两侧终端并联120 Ω 终端电阻，保证通信质量，减少丢包率。PLC 控制器与1 号、2 号变频器之间的CanOpen 通信需在PLC 控制器中建立和维护，通信波特率根据刮板输送机实际通信距离设置为250 kbps，采用29bit 扩展帧格式实现。为保证CanOpen 通信的可靠性、减少丢包率，PLC 控制器扩展两个CanOpen 通信扩展模块，实现专口专用。上位机与PLC 控制器间的通信模式为TCP/IP 通信，PLC 控制器扩展TCP/IP 通信模块，通过TCP/IP 通信将刮板输送机运行时的所有数据上传至上位机，用于监视和控制刮板输送机的运行。在PLC 控制内编写TCP/IPsocket 通信程序，实时将刮板输送机运行数据以socket 方式发送给上位机，同时接收上位机的控制指令[2-3]。

图2 控制系统通信方案总体设计图

2.2 硬件设计

综采工作面刮板输送机智能调速系统的1 号以及2 号变频器都选用西门子矿用高精度矢量变频器MASTER-DRIVESVC，该变频器采用矢量控制技术，基于CAN/CanOpen 总线通信模式实现与控制系统的数据交互，利用编码器、速度传感器实现信号实时反馈并形成高精度速度双闭环控制，进而实现对刮板输送机机头、机尾电动机的变频控制。控制器选用西门子CPU315-2DP 以及SM321DI、SM322DO、SM3318×12 bit、CP343 等扩展模块共同构成PLC 控制系统。根据刮板输送机智能调速控制系统控制方案。

2.3 软件设计

综采工作面刮板输送机智能调速系统软件在PLC 控制器内部实现，利用模糊控制以及BP 神经网络控制实现带速与负载协同控制。PLC 控制器内的控制回路1 控制机头电动机M1 以及M2，输入信号为机头电动机的运行速度ω*，反馈速度为ωr，经速度模拟PI 调节器后控制电动机的给定转矩为，该值经转矩调节器1 以及转矩计算模块后输出至1 号变频器，进而控制机头M1、M2 电动机按照调节后的转矩值运转。PLC 控制器内的控制回路2 控制机尾电动机M3，输入额定转矩为，经转矩调节器2 后输出至2号变频器，进而完成对机尾电动机的控制。刮板输送机机头、机尾电动机运行时需考虑功率平衡问题，即利用，保证机头、机尾电动机输出功率基本平衡，使得刮板输送机稳定、连续运行。

3 应用效果分析

本文设计并实现的综采工作面刮板输送机智能调速系统在某煤矿综采工作面完成6 个月的工业试验，为验证该调速系统的正确性和应用效果，第一个月采用传统恒速控制方案，刮板输送机日平均电能消耗量约为14 700 kW·h，平均带速为4.1 m/s，因机头、机尾功率不平衡导致输送带抖动以及散落煤料的故障为12 次；第二个月采用设计的智能调速方案，刮板输送机日平均电能消耗量约为10 390 kW·h，电能消耗降低了29.32%；平均带速为3.92 m/s，降低了4.4%，未出现输送带抖动、散落煤料的现象，刮板输送机运行稳定。后续4 个月采用智能调速方案，刮板输送机运行连续、稳定[4]。