刮板输送机变频控制系统探索

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摘要：为了提高刮板输送机运行可靠性，针对5603综放工作面使用的SGB-630/2×150刮板输送机存在电机功率不平衡、刮板链张力异常等问题，提出一种变频控制系统。该控制系统以S7-1500PLC为核心，使用ET200SP从站对机尾、机头异步电机、变频器以及刮板链张紧情况进行监测，并详细对该变频控制系统构成、硬件以及软件结构进行设计。现场应用后，该变频控制系统上位机可实时对刮板输送机运行情况进行监测，并实现了刮板机多级驱动功率平衡，取得较为显著的应用成果。

关键词：刮板输送机；变频器；控制系统；多机驱动；功率

平衡刮板输送机不仅用于采面煤炭运输，而且为采煤机往返移动以及液压支架移动提供支撑。受到煤层赋存地质条件、割煤速度等影响，刮板机在重载、轻载以及空载等工况间相互转换[1-2]。当刮板输送机重载直接启动时，电机电流会远超额定工作电流，不仅容易导致保护误动作，而且会对刮板输送机驱动装置中的链轮传动机构有较大的机械冲击[3]。因此，为了确保刮板输送机在各种工况下均可平稳启动，一般通过采用液力耦合器、双速电机、变频控制器以及CST软启动装置等相互配合实现刮板输送机软启动，并通过变频控制系统控制刮板输送机运行，变频控制系统对刮板输送机运行可靠性及运行效率有显著影响[4-5]。而现阶段综采工作面刮板输送机变频控制系统往往存在操作繁琐、人机界面复杂以及经济性不高等问题[6]。为此，文中提出一种基于S7-1500PLC的变频控制系统，该系统不仅可实现多机驱动功率平稳，而且可优化刮板输送机运行负载，操作界面相对简单，可在一定程度上提高刮板输送机运行效率及可靠性。

1工程概况

山西某矿5603综放工作面开采6号厚度3.5~6.8m，煤层赋存不稳定，采高2.8m，刮板输送机型号为SGB-630/2×150。在采面开采时刮板输送机运输的煤炭量变化较大，时长出现重载停机问题，给采面正常煤炭运输带来一定的影响。具体采用使用的SGB-630/150刮板输送机结构见图1，主要结构包括有机头及机尾链轮、刮板链、溜槽、异步电机、联轴器、减速器等。在机头、机尾各布置一台异步电机，使用减速器、联轴器拖动链轮工作，带动溜槽内刮板链运转，实现煤炭运输，具体刮板输送机驱动系统参数见表1。受煤层厚度变化等因素影响，刮板输送机在重载、轻载以及空载等条件下启动、制动时，会对刮板输送机机头、机尾异步电机功率平衡、刮板链张力等有较大影响。如何确保5603综放工作面内刮板输送机在各种工况刮板链均有足够张力以及平稳启动，是确保采面高效生产需要解决的现实问题。

2刮板输送机变频控制分析

为了实现机头、机尾异步电机功率平衡，需要分析异步电机机械特性，具体如下页图2所示。异步电机转速n=f/p，当极对数p保持不变时，通过控制电机输入电流频率f可调整电机转速n。刮板输送机一般按照机尾、机头顺序启动，启动时机头、机尾间保持较小的功率差值，可有效降低刮板链张力[7]。通过变频技术对机尾、机头电动运行进行控制，具体为输送机机头、机尾电动机电流输入频率保持一致，从而使得输送机在不同负载下均可平稳启动。为了避免输送机在启动时出现断链、卡链等故障，机头转速调整以机尾转速为依据。

3变频控制系统设计

3.1控制系统硬件结构

根据采面刮板输送机变频控制需要，提出将西门子S7-1500PLC作为机载控制器，采用工业以太网与ET200SP从站（分布式模块）、上位机等进行信息通信，具体结构见图3。ET200SP从站相对于传统的PLC监控分站具有成本更低、可靠性更强等优点。S7-1500PLC可扩展串联通信、ET200MP信号模块以及PROFIBUS通信模块，从而为后续的刮板输送机智能化改造提供基础；ET200SP从站监测刮板输送机机头、机尾电动机、刮板链张紧以及变频器等设备运行。

3.2控制系统电路与控制流程

驱动装置变频器为交-直-交高压变频器，主电路拓扑结构见图4所示。刮板输送机动力源为6kV移动变电站，供电线路接入到移相隔离变压器，原边Y型输入，副边为△型、Y型2路输出，输出电流相位偏移30°、电压1.7kV。采用的交-直-交高压变频器额定电流、功率分别为336A、1600kW，输出电流、电压以及电流频率分别为360A、3.3kV以及5~50Hz。移相隔离变压器分两路接入到整流桥，从而降低供电电流中的高次谐波，经整流桥整流后的电流通过隔离保护、中间直流滤波后输入至IGCT逆变桥，通过LC正弦滤波进一步降低电流中谐波成分，最后电流输入到机尾、机头电机，控制刮板输送机运行。S7-1500PLC使用Modbus方式控制变频器中IGCT逆变桥运行，因此IGCT逆变桥控制器应选择使用RS-485通信接口；S7-1500PLC与变频器间采用Modbus主、丛通信方式，通过16位CRC确保PLC与刮板输送机机头、机变频器通信、控制指令的可靠性及精准性。为了确保输送机机尾、机头电机在各种负载启动条件下均可实现功率平衡，降低对刮板链冲击，机尾、机头电动机使用不同基准进行变频器控制，具体控制流程见图5。机尾异步电机先启动并由负载决定机尾变频器输出电流频率，异步电机实际输出转矩采用Modbus方式反馈到变频控制系统S7-1500PLC；机尾异步电机平稳启动后机头异步电机开始启动，S7-1500PLC通过Modbus方式控制向机头变频器输出机尾电流频率及异步电机转矩。当链条张紧控制装置反馈需要对刮板链张紧时，表明机尾、机头异步电机间功率已基本平衡，刮板输送机已实现平稳启动。

3.3控制系统控制程序

变频控制系统控制程序采用TIAPortalV15.1构建，采用TIAStep7模块设计PLC控制程序、TIAWinCC模块设计人机交互界面。PLC控制程序包括有初始化程序、变频控制程序、张紧控制程序、变频器水冷控制程序以及预警程序等。在主程序（OB1）在执行前，PLC中的CPU1515-2PN先调用初始化程序（OB100）对系统进行初始化处理，后在主程序（OB1）中循环调用机尾变频（FC2）、机尾变频（FC3）、刮板链张紧（FC4）、变频器水冷（FC2）等控制程序。若PLC构架或者ET200SP存在有I/O故障时，主程序调用预警程序（OB80~O84），通过上位机人机操作界面显示预警信息。相对于传统的S7-300/400PLC，文中采用的S7-1500PLC内置的CPU模块具备输出状态、I/O状态指示，并与预警程序相互配合大幅提升PLC控制器的可靠性。上位机人机交互界面可实现远程管理S7-1500PLC运行，从而便于技术人员远程对机载PLC安全值设定以及运行控制提供便利。同时在人机交互界面上可实时显示刮板链张紧状态、机头以及机尾驱动装置运行状态，实时显示动力装置电压、电流以及频率等安全值以及实时值。

4结语

高压防爆变频器应用到综采工作面刮板输送机变频控制中，可为机头、机尾异步电机平稳启动以及可靠运行提供良好基础。但是现实应用过程中受到刮板输送机运行工况复杂影响，驱动电机功率平衡较为困难，往往存在刮板链张力异常问题。运用基于S7-1500PLC的变频控制系统对刮板输送机各位置进行监控，不仅可实现刮板输送机多电机功率平衡，而且可在上位机上实时显示刮板输送机各位置运行参数。

参考文献

[1]梁志斌.智能变频控制系统在综采工作面刮板输送机中的应用[J].山西能源学院学报，2020，33（6）：1-3.

[2]刘伟峰.刮板输送机变频驱动控制系统的研究[J].机械管理开发，2020，35（9）：278-280.

[3]邱栋.基于PLC的刮板输送机变频控制系统设计[J].煤矿机械，2020，41（8）：189-192.

[4]王波，刘邹县，刘小哲，等.刮板输送机智能变频调速控制系统研究与应用[J].煤矿机械，2019，40（12）：140-143.

[5]郗满江.综采工作面刮板输送机防爆变频智能控制系统的研究与应用[J].水力采煤与管道运输，2019（4）：128-129.

[6]郑鹏.综采工作面刮板输送机变频驱动控制系统的研究[J].山西冶金，2018，41（6）：73-74；92.

[7]陈涛.综采工作面刮板输送机防爆变频智能控制系统的应用[J].煤矿机电，2017（6）：45-47.

作者：王哲兴 单位：古城煤矿机电科