鄭海峰

(陽煤集團 一礦，山西 陽泉 045000)

0 引言

隨著科學技術的快速發(fā)展，煤礦采掘機械化程度不斷提升。在一些大型的煤礦開采企業(yè)中，通常使用刮板機作為刨煤機和采煤機的重要運行軌道，刮板機在工作過程中，刮板鏈沿著刮板輪循環(huán)移動，當采煤機采掘的煤塊、散煤等進入槽內后，刮板攜帶物料向上移動，完成煤炭的運輸[1]。在原始的控制技術中，采用減速機、離合器、調速系統(tǒng)作為控制核心，將電機的扭矩通過齒輪作用到驅動鏈輪上，完成對刮板運輸機的控制。相比這種控制方式，變頻控制具有控制靈活、控制范圍廣等特點，通過變頻控制技術，對刮板機刮鏈輪進行準確控制，對于煤礦井下運輸具有重要的作用[2]。

1 變頻控制技術原理

變頻控制技術是通過控制設備供電電能的頻率達到電機控制的目的，在實際操作過程中，通常是將交流電源進行整流轉變成直流電能信號，之后，再進行逆變，變成可以控制電壓幅值和頻率的電能，通過變頻器控制電機時，電壓頻率f與電機轉速n的關系為：

n=60f(1-s)/p.

(1)

其中：s為電機轉差率；p為電機磁對數(shù)。

由式(1)可知，電機轉速n與電壓頻率f成正比例關系，當電機磁對數(shù)固定時，通過控制半導體器件的通斷調節(jié)電壓頻率，可達到平滑調節(jié)電機轉速的目的。

2 變頻驅動系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

在變頻控制系統(tǒng)中，需要增加相關檢測模塊，對電機的電磁狀態(tài)進行實時監(jiān)控，部分系統(tǒng)中采用DTC(轉矩控制技術)提升變頻控制的精度，本系統(tǒng)結構如圖1所示，主回路與變頻器之間有隔離變壓器，完成電壓變換與干擾的隔離，輸出端通過濾波器與感應電機連接，實現(xiàn)對感應電機的控制。

圖1 變頻控制系統(tǒng)結構圖

在本系統(tǒng)中，逆變器采用三電平逆變方案，系統(tǒng)橋臂由4個集成門極換流晶閘管(IGCT)組成，相對于絕緣門極雙極性晶體管(IGBT)，IGCT可以通過少量的功率器件完成電流高速開斷，具有較高的運行可靠性，可以保證刮板運輸機在復雜情況下長期穩(wěn)定運行。

2.2 現(xiàn)存問題

煤礦井下條件復雜，在變頻控制刮板機啟動過程中，刮板上的負載無法準確控制，這為變頻控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來困擾：當啟動負荷較大時，容易導致刮板機鏈條斷裂或者電機燒毀，此時，刮板運輸機會產生較大的啟動電流，給煤礦供電系統(tǒng)帶來沖擊；當啟動負載較小時，由于系統(tǒng)的啟動電流較大，造成了資源的浪費。為了解決現(xiàn)存問題，在本系統(tǒng)中，從刮板運輸機啟動電流和運輸狀態(tài)兩個方面入手，設計變頻控制系統(tǒng)的硬件結構，實現(xiàn)刮板機變頻控制和相關抗干擾措施。

3 變頻控制系統(tǒng)硬件設計

變頻控制系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的方案。刮板機的現(xiàn)場控制與遠程控制相對獨立，自動控制通過遠程平臺實現(xiàn)，就地控制可以通過現(xiàn)場工人實現(xiàn)，遠程平臺可以對工人的操作權限進行管理，實現(xiàn)管理的功能，具有較高的優(yōu)先級，現(xiàn)場工人具有較強的主動性，可以根據(jù)現(xiàn)場情況發(fā)出停機指令，提高了自動控制系統(tǒng)的可靠性[3]。

3.1 主控制器選型

在本系統(tǒng)中，PLC選擇Rockwell公司的ControlLogix系統(tǒng)，產品型號為1756-L61。相比于其他產品，該系列的控制器具有較大的內部存儲空間，其中，數(shù)據(jù)和邏輯信號的存儲空間為2 MB。正常工作過程中，最大功耗為3.5 W。

該系統(tǒng)不僅具有快速的通訊能力和方便的I/O技術，本身包含了運動控制和傳動控制的功能。系統(tǒng)采用模塊化的設計，用戶通過操作平臺可以方便地更改系統(tǒng)設置，實現(xiàn)相應的需求[4]。

3.2 I/O模塊選型

數(shù)字量輸入模塊選用1756-IB32模塊，該模塊的輸入點數(shù)為32個，輸入電壓為直流12 V～31.2 V，導通電流范圍為2 mA～5.5 mA；數(shù)字量輸出模塊選用1756-OB32，輸出點數(shù)為32，最大輸出電流為0.5 A，連接形式為1756-TBCH；模擬量輸入模塊選用1756-IF16，可以輸入多達8個的差分信號，輸入電壓范圍為±10.5 V，當供電電壓為24 V時，負載電流為65 mA；模擬量輸出模塊選用1756-OF4，模擬量輸出點數(shù)為4個，當供電電壓為24 V時，負載電流為120 mA。

3.3 網絡通訊模塊設計

為了實現(xiàn)刮板運輸機控制效果的遠程監(jiān)視，在本系統(tǒng)中，選擇1756-CNB型號的網絡模塊進行通訊，該模塊的通訊速度為5 M/s，首發(fā)數(shù)據(jù)過程中，最大功耗為5.14 W，通過RG-6同軸電纜與主機進行連接，滿足現(xiàn)場變頻控制的需求。

3.4 電源模塊選型

通過統(tǒng)計計算，各個模塊的電流總和約為4 A，由于電源模塊的選型需要考慮系統(tǒng)的可擴展性，因此，電源型號選擇為1756-PA75，可以提供的最大電流為10 A，額定輸入電壓為220 VAC，有功輸入功率最大值為95 W，可以滿足現(xiàn)場供電需求。

4 硬件抗干擾措施

刮板機使用環(huán)境中包含大量電磁干擾設備(高壓電纜、變壓器、變頻器等)，在刮板機完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，需要與遠程監(jiān)控平臺進行數(shù)據(jù)交換，此時，現(xiàn)場干擾會影響信號傳輸，進而影響系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。電磁干擾(EMI)的主要危害包括：①干擾系統(tǒng)啟動過程，造成自檢出錯；②造成邏輯控制誤動作；③導致PLC測量精度降低；④通訊異常，數(shù)據(jù)丟失[5]。

4.1 現(xiàn)場干擾分析

現(xiàn)場干擾主要包括以下3種類型：①控制系統(tǒng)電源干擾：當煤礦電能質量下降，產生沖擊電壓時，通過電源模塊進入控制系統(tǒng)內部；②通訊電纜引入干擾：包括其他電力設備向本控制系統(tǒng)串入的干擾或者刮板機周圍電磁信號產生的干擾；③接地系統(tǒng)匯總串入的其他干擾。

4.2 抗干擾措施

4.2.1 UPS供電

UPS一般作為控制系統(tǒng)的后備電源，當系統(tǒng)出現(xiàn)斷電時，可以在較短的時間內接通電源，恢復設備的正常供電。當采用后備電源供電時，現(xiàn)場控制系統(tǒng)與煤礦供電系統(tǒng)相對獨立，當煤礦供電系統(tǒng)出現(xiàn)波動或者沖擊時，電力系統(tǒng)波動不會通過PLC電源竄入變頻控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

4.2.2 冗余備用

在煤礦改版機變頻控制系統(tǒng)中，CPU采用冗余的熱備控制系統(tǒng)，通過冗余備用，保障PLC工作的穩(wěn)定性。當系統(tǒng)正常工作時，一個CPU執(zhí)行程序，控制所有的模塊進行正常工作，與此同時，另一個CPU不執(zhí)行任何程序，但是處于熱備用狀態(tài)，并對工作中CPU的狀態(tài)進行跟蹤，由于兩個CPU同時壞掉的可能性很小，因此，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

5 結語

本文在分析刮板運輸機控制系統(tǒng)組成和現(xiàn)存問題的基礎上，利用Rockwell公司的ControlLogix系統(tǒng)設計相關控制系統(tǒng)，依照分散控制、集中管理的思路設計變頻控制系統(tǒng)，包括主控制器選型、I/O模塊選型、網絡通訊模塊選型與設計、電源模塊選型。為了提升刮板運輸機變頻控制系統(tǒng)的可靠性，對現(xiàn)場存在的三種類型干擾進行分析，并制定相關抗干擾措施，利用UPS供電和冗余備用解決了電源干擾和系統(tǒng)干擾問題。