电牵引采煤机截割滚筒变频控制方案设计.pdf

电牵引采煤机截割滚筒变频控制方案设计 赵云平 （西山煤电集团有限责任公司 官地煤矿运输区， 太原032200） 摘要针对煤矿井下电牵引采煤机截割滚筒存在的机械磨损严重、耗电量大的问题，设计并实现基于变频控制技术的截割滚筒控制方案。以PLC 技术、CAN通信技术以及变频控制技术实现截割滚筒对煤壁工况的速度自适应调节，在降低截割滚筒机械磨损的同时，达到节能降耗的目的。经 试验验证，该方案能够达到预期设计目标，具有较好的经济价值和推广意义。 关键词PLC控制器；CAN；变频控制；节能降耗 中图分类号TD632文献标志码A文章编号1009－9492 2020 08－0191－02 Design of Variable Frequency Control Scheme for Electric Haulage Shearer Cutting Drum Zhao Yunping （Guandi Coal Mine Transportation Area, Xishan Coal Power Group Co., Ltd., Taiyuan 032200, China） AbstractAiming at the problems of serious mechanical wear and large power consumption of the cutting drum of electric traction shearer in coal mine, the control scheme of cutting drum based on frequency conversion control technology was designed and implemented. PLC technology, CAN communication technology and frequency conversion control technology were used to realize the speed adaptive adjustment of cutting drum to coal wall working condition, which can reduce the mechanical wear of cutting drum and achieve the purpose of energy saving and consumption reduction. The test results show that the scheme can achieve the expected design goal, and has good economic value and promotion significance. Key wordsPLC controller; CAN; frequency conversion control; energy saving and consumption reducing DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 061 第49卷第08期Vol.49No.08 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 赵云平. 电牵引采煤机截割滚筒变频控制方案设计［J］. 机电工程技术，2020，49（08） 191-192. 收稿日期2020－07－14 0 引言 煤矿井下用采煤机技术主要为液压牵引式和电牵引式两 种模式，由于液压牵引式采煤机在实际使用中存在局限性， 同时无法满足采煤机高效率、低能耗的要求，电牵引式采煤 机逐渐占据主导地位[1]。电驱型采煤机的变频牵引系统、变频 截割系统逐渐成为研究热点。德国Eickhoff、美国JOY、英国 Long-Airdox以及日本三井三池等公司相继推出电牵引采煤机 机型，如 Eickhoff 的 SL300、SL400 以及 SL500；JOY 的 4LS、 6LS 以及 7LS；Long-Airdox 推出的 Electra550、Electra1000； 三井三池的MCLE500-DR101101、MCLE600-DR10210等。国 外电驱型采煤机具有牵引力大、截割功率高、数据传输稳 定、响应速度快、具有在线监控等诸多优点[2-3]。国内各煤机 生产单位在借鉴国外先进技术的基础上，相继开发出具有自 主知识产权的电驱型采煤机，典型的有上海天地生产的 MG1000/2540-GWD、鸡西煤机生产的MG900-2310-WD、西 安 煤 机 生 产 的 MG10002550-GWD 以 及 三 一 重 工 生 产 的 MG700-1740等。上述电驱型采煤机的采高为2.24～7.0 m、装 机功率为1 740～2 760 kW、截割功率为2700～21 100 kW、 牵引功率为290～2150 kW，均采用交流变频调速方式[4-5]。 为适应截割煤壁工况，将采煤机截割部采用变频控制技术， 根据煤壁工况实时调节截割滚筒的速度，达到节能降耗，延 长截割滚筒机械部件使用寿命的目的。 1 系统设计 电牵引采煤机截割滚筒变频控制方案系统设计如图1所 示，由PLC控制器为核心部件，以CAN总线通信模式与变频 器进行通信，完成对采煤机截割电动机的变频控制，进而可 根据工况实时调节采煤机截割滚筒的截割速度，达到节能降 耗的目的，减小截割滚筒的机械损耗。为完成对截割滚筒的 变频控制，PLC 控制器需扩展模拟输入量，如截割电机温 度、截割电机电流、系统电压、摇臂倾角等，PLC控制器每 隔300 ms对上述模拟量进行采集，并经A/D转换后对截割滚 筒的转速以及动作进行逻辑控制；PLC控制器扩展数字量输 图1电牵引采煤机截割滚筒变频控制方案系统设计 191 入模块，用于采集截割电机漏电流节点、开启/停止截割电机 节点、瓦斯断电信号节点、语音报警节点等，用于保护截割 电动机，延长截割电动机的使用寿命；PLC控制器扩展数字 量输出模块，用于完成对截割臂升降、联动、制动以及急停 控制，完成对截割电动机的左、右截割动作的控制；PLC控 制器扩展CAN通信口，与变频器进行CAN通信，将控制指令 以CAN总线模式发送给变频器，进而由变频器控制截割电机 的启动、停止、加速、减速等。另外，采煤机截割滚筒变频 控制方案还外接遥控器、液晶显示屏以及键盘，方便工作人 员的遥控操作并及时掌握采煤机截割系统的运行状态。 2 硬件设计 该电牵引采煤机的截割功率为120 kW，考虑1.2倍设计余 量，选择变频器的额定功率为144 kW。选择ABB公司生产的 型号为ACS800-04-269-05的变频器，其额定电压为500 V， 额定功率为160 kW，满足系统设计要求[6]。选择变压器时需考 虑该电牵引采煤机的额定供电电压为460 V，因此变压器的变 比为3 300/460 V；变压器的最小容量为2160 kW100 kVA， 即为320 kVA，因此选择变压器的容量为350 kVA。温度、压 力、电流以及油位等模拟量输入信号统一为4～20 mA的电流 信号，精度应不小于1，采集周期为300 ms。遥控器和键盘 输入信号的响应时间应不小于0.1 s。CAN总线通信数据传输波 特率要求最低为250 kb/s，传输距离需大于100 m[7]。PLC控制 器选用PCS7-400型西门子控制器，该控制器稳定性好、逻辑 处理能力强、运算速度高，且配置有 CAN/CanOpen/Profi⁃ bus-DP数据通信模式，可方便扩展数字、模拟量接口，符合采 煤机截割滚筒变频控制方案设计要求。表1所示为电牵引采煤 机截割滚筒变频控制方案PLC控制器I/O部分地址分配统计表。 3 软件设计 基于西门子PCS7-400控制器软件开发平台，根据采煤机 截割滚筒变频控制方案要求，完成PLC软件程序设计。电牵 引采煤机截割滚筒变频控制方案软件流程如图2所示，系统完 成上电以及自检过程后，如果有故障，则发出故障报警信息 并结束运行，待故障解决后重新上电自检。如果系统无故 障，则建立PLC控制器与变频器的CAN通信连接，需注意 CAN通信双方的CAN通信端口、波特率、COBID以及校验方 式等参数设置需完全一致，否则CAN通信连接无法成功建 立。CAN通信连接建立成 功后，PLC控制器根据与 变频器约定好的CAN总线 通信协议，发送启动命 令、运行模式、最高转速 上限等控制指令，使得变 频器启动并达到可运行状 态。变频器达到可运行状 态后，会根据PLC控制器 给定的目标转速值开始运 行并驱动截割电动机按照 目标转速值转动。当采煤 机司机根据实际工况需要 减少转速时，按下“减 速”按钮，PLC控制器将 修正后的“目标转速”发 送给变频器，进而使得截 割电动机按照修订后的 “目标转速”值运行；当 采煤机司机需要增加转速时，按下“加速”按钮，PLC控制 器将修正后增加的“目标转速”发送给变频器。图2所示为采 煤机截割滚筒变频控制系统一个循环周期的软件流程，该流 程的循环周期为20 ms。 4 应用情况 设计并实现的电牵引采煤机截割滚筒变频控制方案在 某矿综掘工作面进行 6 个月工业性试验，采煤机日工作 14～16 h，以年工作日300计算，年耗电量W1288 000 kW h。 根据原采煤机运行数据统计显示，原采煤机年耗电量 35 0000～400 000 kW h，则年节约耗电最小值为62 000 kW h。 另外，在6个月的工业试验中，采煤机截割滚筒以及各机械部 件完好，没有过度磨损或者损坏的现象。 5 结束语 将变频控制技术应用于电牵引采煤机截割滚筒的控制， 使得采煤机截割滚筒能够根据煤壁工况自动调节截割速度， 降低了截割滚筒的机械磨损，延长了使用寿命，同时达到节 能降耗的目的，具有较好的经济价值和推广意义。 参考文献 [1] 谢贵君.电牵引采煤机的现状与发展趋势[J].煤矿机械,2009, 3021-3. [2] 邓桂波.基于PLC的采煤机电控系统改进设计与应用[J].煤炭 与化工,2016,39888-90. [3] 何广东.基于PLC控制的采煤机自动割煤技术研究与应用[J]. 煤炭科学技术,2015,44S2100-103. [4] 刘强.新型薄煤层极倾斜电牵引采煤机的研制[J].煤炭技术, 2016,3511232-233. [5] 刘改叶.高效高可靠性电牵引采煤机的研发与工业性试验[J]. 中国煤炭,2014,40776-80. [6] 刘洪焰.西门子PLC与ABB采煤机牵引变频器的Modbus通 信设计[J].煤矿机电,20144123-124. [7] 靳立红,刘春生,孙剑锋.采煤机截割部双电机机械串接驱动 的同步性研究[J].煤矿机械,2011,32 742-44. 作者简介赵云平 （1977-） ，男，山西五台人，大学本科， 工程师，研究领域为煤矿机电。（编辑 刘诗寒） 物理意义 截割电机漏电流节点 破碎电机漏电流节点 泵电机漏电流节点 截割变频器超温节点 牵引变频器超温节点 瓦斯断电信号节点 语音报警节点 开启截割电机节点 停止截割电机节点 截割电机状态节点 电控箱温度检测 截割电机温度检测 截割电机电流检测 端口地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 AI0 AI1 AI2 物理意义 左升电磁阀 右升电磁阀 左降电磁阀 右降电磁阀 左联动电磁阀 右联动电磁阀 左截割启动继电器 右截割启动继电器 制动电磁阀 急停电磁阀 与变频器通信 与遥控器通信 与液晶显示屏通信 端口地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 CAN0 CAN1 CAN2 表1PLC控制器I/O地址分配部分 图2电牵引采煤机截割滚筒 变频控制方案软件流程 2020年08月机 电 工 程 技 术第49卷第08期 192