基于四象限运行的采煤机电控系统研制.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基于四象限运行的采煤机电控系统研制 龚 超1,宋玉琴2 ,3 1. 西安煤矿机械厂 陕西 西安 710032 ;2.西北工业大学 自动化学院 陕西 西安 710072 ; 3.西安工程大学 电信学院 陕西 西安 710048 摘 要针对交流电牵引采煤机一台变频器拖动两台牵引电机方式存在的问题,设计了由三菱可编程序控制器、ABB公 司的ACS811变频器、 触摸屏组成的一拖一四象限运行的变频调速采煤机电控系统。该系统以可编程序控制器为核心,通过 数据通信及软件编程实现对变频器的控制,从而完成采煤机运行中的两台牵引电机负荷分配、 工作状态数据采集、 运算、 控 制及显示功能。在实际使用中,该电控系统运行稳定,具有良好的可靠性。 关键词可编程序控制器;四象限变频器;采煤机;电控系统 中图分类号TP273 文献标识码A 文章编号10042373X2008212157203 Research of Shearer Electric Control System Based on 42quadrant Running GONG Chao1,SONG Yuqin2 ,3 1. Xi′an Coal Mining Machinery Plant ,Xi′ an ,710032 ,China;2. College of Automation ,Northwestern Polytechnical University ,Xi′an ,710072 ,China; 3. College of Electronics and Ination ,Xi′an Polytechnical University ,Xi′an ,710048 ,China Abstract The shearer electric control system of transducer adjusting speed by one dragging one running in four quadrant is designed aimed at the problems occurred in one transducer dragging two hauling motors. The system is composed of MITSUB2 ISHI PLC ,ABB ACS811 transducer and touch screen. PLC is the core which controls the transducer by data communication and soft programming so as to complete load distributing of two hauling motors ,data gathering of working state ,operating , controlling and displaying. In the practice using ,the electric control system operate stably and has well reliability. KeywordsPLC;42quadrant transducer ;shearer ;electronic control system 收稿日期2008205222 1 引 言 随着我国煤矿采掘机械化水平的提高,大量的新技 术、 新装备不断投人到煤炭生产当中,使煤矿生产能力 和技术装备得到长足发展。我国从20世纪70年代分 别引进了德国Eiekhoff公司,美国Joy公司的直流电牵 引采煤机。伴随电子技术的发展,从20世纪80年代后 期出现了交流电牵引采煤机。交流电牵引采煤机具有 控制灵活、 操作方便、 监控完善等优点,以前交流电牵引 机型主要采用一拖二一台变频器拖动两台电机的方 式,这种方式存在的主要问题是 1电控系统的监控功能差变频器对牵引电机的 运行参数难以准确检测,控制和保护性能无法完全 发挥; 2调速系统的可靠性差; 3难以实现四象限Ⅰ、 Ⅲ 象限为电动运转状态, Ⅱ、 Ⅳ 象限为制动运转状态运行,使采煤机不能适应较 大倾角煤层开采的需要。 要解决这些问题,提高四象限变频调速电牵引采煤 机的性能是当今采煤机技术研究的热点。 2 控制要求 根据煤矿操作的具体特点,电牵引采煤机应具有以 下功能 1自动与手动运行自动运行为正常运行方式; 手动运行是指在可编程序控制器出现故障的情况下由 手动完成采煤机的各种操作。 2单牵引方式采煤机为一拖一一台变频器拖 动一台电机设计,当主变频器出现故障时需要从变频 器牵引采煤机工作。 3对运行过程监控采煤机运行时,要求对其进 行可靠的实时监控,包括牵引状态、 变频器运行参数、 截 割电机温度和电流等。 4通信功能通过通信完成对变频器的控制。 5系统故障监测、 报警、 处理采煤机运行时若发 生故障,如出现变频器过流、 过压及牵引电机故障等时 能自动监测故障位置,并能按事先设定的故障级别进行 处理,同时报警。 751 现代电子技术2008年第21期总第284期 电子技术应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 系统组成 本电控系统的主要由主/从变频器、 可编程序控制 器PLC、FX2N28AD模/数转换模块、 触摸屏、 信号检 测电路等组成。采煤机电控系统框图如图1所示。 图1 电控系统框图 系统采用ABB公司的ACS811系列变频器,它具 有回馈制动功能,能够在四个象限运行。日本三菱公司 生产的FX2N系列PLC作为中央处理器, FX2N28AD 作为特殊功能模块,采样两台截割电机的电流以及温 度,牵引变压器的温度等模拟量信号,转化为数字信号 后反馈给PLC主机,在电流或温度过大时,立即断电来 实现相关的保护功能。触摸屏能够直观显示采煤机的 工作状态和重要参数,实现故障报警、 显示等。 4 主控制回路的设计 4. 1 变频器控制 两台变频器采用主从控制方案,一台主变频器,一 台从变频器。PLC只与主变频器进行通讯,主变频器 由PLC给出速度给定,从变频器以主变频器的转矩输 出作为其转矩给定,即主变频器由速度和转矩环控制, 从变频器仅由转矩环控制。 4. 2 起停控制与保护电路 采煤机的自动运行,故障复位,单牵引方式,牵引电 机正、 反转,加、 减速, 2台截割电机温度监测,电流采 样,恒功率保护,制动闸保护,牵引变压器温度监测及采 煤机的动作执行等均通过PLC来实现。瓦斯接点接进 PLC中与其他故障一起通过自保接点接进启动回路 里。无论哪台电机的温度超限或瓦斯浓度超限,均可通 过这些接点断开启动回路,从而切断采煤机的电源。 4. 3 故障报警系统 在自动控制系统的设计中,设计了故障显示报警系 统,用触摸屏指示采煤机正常运行和故障情况。当设备 正常运行时对应出现采煤机正常工作状态画面,如牵引 速度,截割电机温度、 电流,牵引电机电流等动态参数。 当该设备运行有故障时对应出现故障提示画面及相应 的排除方法。历史事件表中将记录该故障。在处理故 障时,又将故障进行分类,有些故障是要求系统停止运 行的,但有些故障对系统工作影响不大,系统可带故障 运行,故障可在运行中排除,这样就大大减少了整个系 统的停止运行时间,提高了系统的可靠性运行水平。 4. 4 提高输入信号的可靠性 虽然可编程控制器本身具有很高的可靠性,但如果 输入给PLC的开关量信号出现错误,模拟量信号出现 较大偏差或PLC输出口控制的执行机构没有按要求动 作,则这些都可能使控制过程出错。要提高现场输入给 PLC信号的可靠性,除选择可靠性较高的变送单元和 各种开关,防止各种原因引起传送信号线短路、 断路或 接触不良外,应在程序设计时增加数字滤波程序以增加 输入信号的可信性。对数字信号滤波采用程序设计方 法,在现场输入触点后加一定时器,定时时间根据触点 抖动情况和系统要求的响应速度确定,这样可保证触点 确实稳定闭合后才有其他响应。对模拟信号滤波采用 程序设计方法,对现场模拟信号连续采样50次,采样间 隔由PLC转换速度和该模拟信号的变化速率决定, 50次采样数据去掉最大值和最小值后求取平均值再由 PLC运算处理。 4. 5 负荷分配的控制 2台牵引电机拖动1台采煤机,只靠电动机速度同 步并不能满足实际系统的工作要求,实际系统还要求各 传动点电机负载率相同。按定义电机负载率δ为 δ P/ Pe 式中P为电机所承担的负载功率; Pe为电机额定功 率。 负荷分配要求δ1δ2δ总,即 P1 P1e P2 P2e P总 Pe总 P1 P2 P1e P2e 因此P1δ总P1e, P2δ总P2e,负荷分配就是 使P1, P2满足此要求。 可编程序控制器取各点电机的转矩,然后将从电机 和主电机进行比较,调整其频率给定,加大或减小该电 机转差率,从而调整该电机转矩以达到负荷平衡。 4. 6 通信 PLC通过通信方式对2台变频器进行控制以完成 对采煤机的牵引控制。 1 ABB变频器采用的是STD MODBUS通信协 议。该协议是一种串行的、 非同步的主从通信协议,网 络中只有一个设备能够建立协议,其他的设备只能通过 提供数据响应主机的查询,或根据查询做出相应的动 作。MODBUS协议定义了主机查询的格式,包括从机 的编址方法或广播 , 要求动作的功能代码,传输数据 和错误校验等,从机的响应也采用了同样的结构。如果 851 工 控 技 术龚 超等基于四象限运行的采煤机电控系统研制 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 从机在接收信息时发生错误,或不能完成主机要求的动 作,则它将组织一个故障信息作为响应。 2通信链接。ACS811变频器通过RMBA201 MODBUS适配器模块构成标准MODBUS链接。 4. 7 回馈制动 本系统的采煤机要求在38 左右的大倾角工作面 上运行,制动功能会频繁使用。因此变频调速系统采用 的是瑞士ABB公司的ACS811四象限变频器,其内部 配有回馈单元,结构如图2所示。 图2 四象限变频器原理 进线侧整流器和电机侧逆变器各包含6个带续流 二极管的IGBT模块。进线侧整流器与供电电网相连, IGBT供电模块将三相交流电整流成为直流电,为中间 直流回路提供能量。中间直流回路又为电机侧逆变器 提供能量,推动电机运转。能量既能从电网流向直流环 节,又能从直流环节流向电网,也称回馈单元。电机侧 逆变器与牵引电动机相连,控制牵引电机的运行。 5 结 语 该交流电牵引采煤机电控系统具有以下特点 1监控保护系统智能化拖动方式为一拖一,可 以准确检测牵引电机的运行状态,使牵引系统的控制和 保护性能更趋完善; 2调速系统可靠性高、 控制灵活、 操作方便; 3实现四象限运行,能适应较大倾角煤层开采的 需要; 该系统投入实际运行,结果表明该调速系统可靠性 高,控制灵活,具有良好的运行特性。 参 考 文 献 [1]刘军,孟祥忠.电力拖动运动控制系统[M].北京机械工业 出版社,2007. [2]潘孟春.电力电子与电气传动[M].北京国防科技大学出 版社,2006. [3]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[ M ].北京机械工业出版 社,2005. [4] ABB电气传动系统有限公司. ACS811硬件手册[ Z].北京 ABB电气传动系统有限公司,2006. [5] ABB电气传动系统有限公司. ACS800固件手册[ Z].北京 ABB电气传动系统有限公司,2005. [6]王艳华.非机载式中压交流变频电牵引采煤机的技术研究 [J ].煤矿机械,2008 ,297 1372139. [7]贾金旺,田权. MG500/ 11302WD采煤机变频器应用及故障 处理[J ].河北煤炭,20081 29230. [8]侯林.基于PID的连续采煤机截割牵引反馈控制[J ].煤矿 机电,20084 21224. 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