任志杰

（山西焦煤霍州煤電龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

龐龐塔煤礦井下一采區(qū)運(yùn)煤系統(tǒng)所使用的輸送機(jī)為DTL140/220/3×560X 型，正常運(yùn)行時(shí)的帶速為3.2 m/s。為了提高輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)型，其傳動(dòng)系統(tǒng)采用了BPJ1-2×630/1140 型變頻器控制驅(qū)動(dòng)，能夠根據(jù)輸送帶上的物料負(fù)載情況靈活地調(diào)整輸送機(jī)的運(yùn)行帶速，在保證物料運(yùn)輸需求的情況下最大限度地提高物料運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。由于在運(yùn)行時(shí)變頻器調(diào)速裝置的輸出波形是通過正弦脈寬調(diào)試技術(shù)[1]來實(shí)現(xiàn)的，且井下有較為復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，導(dǎo)致變頻器的變頻調(diào)速裝置在進(jìn)行調(diào)控時(shí)極易受到電磁干擾，嚴(yán)重影響了輸送機(jī)運(yùn)行的調(diào)節(jié)效率和精確性。

針對(duì)目前變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的不足，項(xiàng)目組對(duì)變頻調(diào)速控制理論進(jìn)行了研究，提出了一種新的變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)，將抗干擾性極強(qiáng)的IGBT 作為了系統(tǒng)的開關(guān)器，并對(duì)電磁環(huán)境下的控制信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)，提高變頻器在不同環(huán)境下的抗干擾性。

1 變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)

結(jié)合變頻器的變頻調(diào)速原理，本文所提出的變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)主要包括控制裝置、監(jiān)控主站及監(jiān)控平臺(tái)三個(gè)部分?？刂蒲b置主要是接收監(jiān)控主站的控制指令，快速準(zhǔn)確實(shí)施調(diào)速控制指令；監(jiān)控主站主要是接收監(jiān)控平臺(tái)傳送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并向控制裝置發(fā)送各類監(jiān)測(cè)控制指令；監(jiān)控平臺(tái)主要是用于對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及變頻器運(yùn)行控制狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并向監(jiān)控主站發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

該抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件部分主要由UPS接口電路、數(shù)據(jù)處理器、驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)換接口等構(gòu)成，模塊化程度高，其硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1[2]。

圖1 抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

該抗干擾調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用了低能耗、高性能的AT89C51ED2 型數(shù)據(jù)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀取和寫入；能夠反復(fù)拭處256byte 的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[3]，為快速鏈接外部數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析提供了基礎(chǔ)；該數(shù)據(jù)處理器采用了雙屏蔽抗干擾技術(shù)，能夠滿足井下復(fù)雜電磁環(huán)境下的使用要求；（2）采用了多組UPS 放電維護(hù)電路接口，能夠?qū)PS 電源直接和數(shù)據(jù)主機(jī)連接，利用變頻器逆變電路將直流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電源，從而提高了在復(fù)雜電磁環(huán)境下變頻調(diào)速的精確性。

該抗干擾調(diào)速系統(tǒng)的主控電路如圖2[4]。

圖2 抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)控制電路示意圖

由圖2 可知，在系統(tǒng)得電時(shí)，由整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，同時(shí)主控單元對(duì)電壓、溫度、電池電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。若滿足放電要求，則控制S2 閉合，逆變電路將其轉(zhuǎn)換為交流電輸出，同時(shí)控制S1 閉合，為電池充電；若不滿足放電要求，則只控制S1 閉合，給電池充電。當(dāng)主控電源檢測(cè)到滿足放電要求時(shí)，則控制S2 閉合，輸出電壓。此過程保證了系統(tǒng)放電的穩(wěn)定性，避免因?yàn)榉烹姴蛔銓?dǎo)致的調(diào)節(jié)誤差。

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的收集偏差，系統(tǒng)采集到各類數(shù)據(jù)信息后首先進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換處理，通過數(shù)據(jù)通信接口將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器內(nèi)，經(jīng)過分析處理后將其輸出，滿足變頻器調(diào)控需求。由于RS485 標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸具有抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此也可以保證信號(hào)的精準(zhǔn)傳輸。

2 數(shù)據(jù)采集模塊控制優(yōu)化

通過對(duì)煤礦上原有數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行分析可知，其數(shù)據(jù)采集芯片為單通道轉(zhuǎn)換器[5]，數(shù)據(jù)傳輸能力受到了極大的限制，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)分析延遲率高，影響了調(diào)速控制的精確性。本文提出采用新的CS5460 型雙通道智能模數(shù)轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行替換，具有數(shù)據(jù)傳輸通道大、數(shù)據(jù)計(jì)算能力快的優(yōu)點(diǎn)。另外，該轉(zhuǎn)換器還能夠?qū)⒖刂齐娐返碾妷汉碗娏魍ㄟ^UPS 轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)絍IN+端口和IIN+端口[6]，通過該端口可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息分別進(jìn)行處理，提高了系統(tǒng)放電電流計(jì)算的準(zhǔn)確性。

同時(shí)為提高數(shù)據(jù)信息采集和處理的效率，項(xiàng)目組還開發(fā)了一種基于RS485 總線[7]的抗干擾調(diào)速通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心、電源模塊、控制模塊等進(jìn)行了連接。通過連接，實(shí)現(xiàn)了電源模塊對(duì)系統(tǒng)電池組合工作電壓、電流等的監(jiān)測(cè)和調(diào)整功能，確保各類控制電流及通信電流信號(hào)的穩(wěn)定性；也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)電池的內(nèi)阻和電壓的監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能，當(dāng)電壓超過警戒值時(shí)，由系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高壓向低壓的轉(zhuǎn)換，保證了電池供電電壓的總體平衡，提高電池組的使用壽命和控制精確性。

3 控制邏輯優(yōu)化

根據(jù)抗干擾自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)際需要，結(jié)合變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及調(diào)速控制的需求，項(xiàng)目組提出了一種新的變頻調(diào)速控制邏輯程序，如圖3[8]。

圖3 抗干擾變頻控制系統(tǒng)控制邏輯示意圖

由圖3 可知，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)初始化的參數(shù)進(jìn)行匯總分析，對(duì)控制中心的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，若處于正常工作狀態(tài)，則對(duì)電源的輸出電壓以及控制電路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，解決了傳統(tǒng)控制邏輯無法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)是否正常判斷的不足，提高了控制的效率和精確性。

為了確保在電磁干擾下的控制精確性，在控制邏輯中設(shè)置了變頻調(diào)速修正程序，根據(jù)UPS 的放電控制理論，將系統(tǒng)電池容量、工作時(shí)的放電速度、系統(tǒng)安全參數(shù)作為調(diào)節(jié)邏輯，進(jìn)行精確調(diào)節(jié)控制。變頻調(diào)速修正程序如圖4[9]。

圖4 變頻調(diào)速修正程序邏輯圖

由圖4 可知，控制系統(tǒng)處在智能維護(hù)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)首先對(duì)放電電流、電壓以及電容進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析：若電容容量充足，則觸發(fā)IGBT 工作，主電路通電；若電容容量不足，則系統(tǒng)返回到測(cè)量階段重新進(jìn)行計(jì)算，直到達(dá)到系統(tǒng)觸發(fā)條件。

系統(tǒng)處在手動(dòng)維護(hù)模式下時(shí)，系統(tǒng)首先對(duì)工作電流、電壓、電容容量是否滿足系統(tǒng)的控制時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，若達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間則切換到主電路工作，若沒有達(dá)到設(shè)定時(shí)間則系統(tǒng)重新返回到測(cè)量階段，重新進(jìn)行計(jì)算，直到達(dá)到系統(tǒng)的觸發(fā)條件[10]。

根據(jù)抗干擾控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，通過對(duì)抗干擾控制邏輯的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)在不同電磁環(huán)境下對(duì)變頻調(diào)速裝置的智能調(diào)控，提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和靈活性。

4 實(shí)際使用分析

該變頻器抗干擾控制系統(tǒng)主要是為了提高變頻器在調(diào)速過程中的調(diào)節(jié)效率和精確性，因此在龐龐塔礦對(duì)不同時(shí)間下的變頻器維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際對(duì)標(biāo)對(duì)比驗(yàn)證，系統(tǒng)設(shè)定的不同時(shí)間點(diǎn)的維護(hù)位置見表1。

表1 不同時(shí)間下變頻器維護(hù)位置要求匯總表

分別采用傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制方案和新的變頻器抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)其控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 不同控制邏輯下的位置調(diào)節(jié)對(duì)比

當(dāng)在煤礦井下實(shí)際運(yùn)行時(shí)，采用傳統(tǒng)控制方案時(shí)，調(diào)控的準(zhǔn)確性只有60%，而采用新的抗干擾調(diào)速控制模式時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制精度達(dá)到了100%，極大地提升了變頻器的調(diào)節(jié)控制精度。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出煤量調(diào)節(jié)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行速度調(diào)整的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用傳統(tǒng)的控制模式下的執(zhí)行時(shí)間約為3.7 s，采用新的抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)后的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間約為1.2 s，將調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了67.6%，對(duì)提升運(yùn)煤系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效率和可靠性具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

（1）抗干擾調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件部分主要由轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)電路、單片機(jī)控制電路夠成，模塊化程度高。

（2）將單通道轉(zhuǎn)換器替換為CS5460 型雙通道智能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有數(shù)據(jù)傳輸通道大、數(shù)據(jù)計(jì)算能力快的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行分類處理，對(duì)各類電氣故障信息進(jìn)行分析和預(yù)警，提高系統(tǒng)放電電流計(jì)算的準(zhǔn)確性。

（3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒆冾l調(diào)速精度提升到100%，將調(diào)速時(shí)間降低67.6%，對(duì)提升輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和調(diào)速精度具有十分重要的意義。