基于CANopen協議的刮板輸送機功率協調控制系統研究

張 宇,白成耀

(國家能源投資集團有限責任公司 神東煤炭集團,陜西 榆林 719315)

煤礦開采過程中刮板輸送機是工作面中非常重要的運輸裝備,還為采煤機提供軌道支撐。因此刮板輸送機的性能直接影響煤礦工作面的開采效率,進而影響企業的經濟效率[1]。隨著人們對煤炭資源需求量的不斷提升,以及煤礦領域技術水平的不斷發展,當前階段的煤礦開采效率有了顯著提升,對刮板輸送機的綜合性能,特別是運輸效率提出了更高要求[2]。為順應時代發展,刮板輸送機正朝著重型化、大型化方向發展。對于重型刮板輸送機,采用單臺電機難以滿足要求,大多采用多電機進行驅動[3]。多電機驅動能顯著提升設備的整體功率,但如何保證多電機之間的功率協調性,是亟須解決的問題[4]。若多電機之間的功率不平衡,不僅影響設備的運行穩定性,還會縮短電機自身的使用壽命[5]。本文結合多電機驅動刮板輸送機的實際情況,基于CANopen協議設計了功率協調控制系統,將其應用到工程實踐中,效果良好。

1 功率協調控制系統整體方案設計

1.1 刮板輸送機概述

煤礦中使用的刮板輸送機典型結構如圖1所示。由圖1可知,刮板輸送機的機械結構方面主要包括機頭鏈輪、機尾鏈輪、刮板、鏈條以及上下溜槽。工作時由電機輸出的動力經過傳動系統,輸入到機頭和機尾鏈輪上。鏈輪與鏈條之間進行嚙合,實現力的傳遞,將鏈輪的旋轉運動轉變成鏈條的循環往復運動,鏈條與刮板進行連接,驅動刮板運動,進而實現煤礦物料的運輸[6]。本文以SGD730/320B型刮板輸送機為研究對象,此型號設備在機頭和機尾各設置有1臺驅動電機,每臺電機功率為160 kW,總功率為320 kW。只有1根鏈條驅動,設置在中間位置,中部槽的外邊寬度為730 mm。

圖1 刮板輸送機的主要結構Fig.1 Main structure of scraper conveyor

1.2 系統總體結構設計

刮板輸送機功率協調控制系統的整體方案如圖2所示,系統基于CANopen協議設計。由圖2可知,除刮板輸送機外,系統包含2個CANopen從站、CANopen主站和CANopen總線。其中,主站是整個系統的核心部分,需要實現對系統的控制,主要包括PLC控制器和CM CANopen模塊,控制器選用西門子研制的S7-1200型,CM CANopen模塊采用HMS公司的產品。CANopen從站主要包括電機、變頻器和通信卡,由于刮板輸送機由2臺電機驅動,所以系統中設置了2個CANopen從站。電機為永磁同步電動機,變頻器為臺達C2000型,變頻器內部設置有CANopen通信卡。變頻器可以接收主站的指令,改變輸出的電壓頻率,進而對電機的輸出轉速進行有效控制。系統需要對電機的輸出扭矩進行采集,因為扭矩可以很好地反映電機的負載大小,為功率協調控制提供數據支撐。采集到的扭矩數據信息,利用通信卡和CANopen總線上傳到CANopen主站中進行分析處理。主站對2臺電機的扭矩信息進行綜合對比后,經過內置的算法程序進行處理,最后下達控制指令對2臺電機的驅動力進行調整,實現機頭和機尾2臺電機的功率協調控制。

圖2 刮板輸送機功率協調控制系統的整體方案Fig.2 Overall scheme of power coordinated control system of scraper conveyor

2 功率協調控制的基本原理分析

研究的刮板輸送機,在機頭和機尾部位均設置有驅動電機,因此必須確保2臺電機之間的功率協調性。2臺電機工作過程中,其功率和轉矩滿足如下條件:P1=T1ω1,P2=T2ω2,P1和P2分別為機頭和機尾電機的輸出功率,T1和T2分別為機頭和機尾電機的輸出扭矩,ω1和ω2分別為機動和機尾電機的旋轉角速度。電機通過傳動系統與驅動鏈輪進行連接,鏈輪與鏈條之間通過捏合進行傳動,以上傳動過程均屬于剛性傳動[7]。所以機頭和機尾部位電機的旋轉角速度會被強制同步,即機頭和機尾電機的旋轉角速度ω1和ω2相等。由功率與扭矩之間的關系式可以看出,兩者之間呈線性比例關系。在2臺電機旋轉角速度相同的情況下,其輸出功率就可以用輸出扭矩來反映。若2臺電機的輸出扭矩存在差異,意味著2臺電機的輸出功率不同,影響設備的運行穩定性[8]。

為了保證機頭和機尾電機的功率協調性,確保2臺電機的輸出扭矩差值在合理范圍內。本研究基于先進的變頻調速技術對2臺電機的輸出情況進行控制。比如,當機尾電機負載過大,扭矩增大時,可以控制機尾電機的電壓頻率降低,進而降低其旋轉速度[9]。此時機尾電機負載會過渡到機頭電機,從而保證2臺電機之間的功率平衡。刮板輸送機多電機功率協調控制的原理如圖3所示。

圖3 多電機功率協調控制的原理Fig.3 Schematic diagram of multi-motor power coordinated control

圖4 PLC控制器的主要模塊及其型號Fig.4 Main modules and models of PLC controller

設計的系統中變頻器基于CANopen協議與主站進行連接,由變頻器檢測得到的機頭和機尾電機輸出扭矩T1和T2會實時上傳到PLC控制器中?？刂破髦袃戎糜兴惴ǔ绦?可以對采集的數據進行分析對比。若兩者之間的差值Δ超過了系統內置的閾值,則需要對電機的輸出轉速進行調整,達到調整兩者之間功率的效果。由圖3可知,當機頭電機扭矩比機尾電機扭矩大時,即T1>T2,且T1-T2>Δ時,說明此時機頭部位電機的功率比機尾電機功率大。為保證功率的協調性,需要適當減小機頭部位電機的輸出轉速,進而降低電機的扭矩和功率,最終實現機頭和機尾電機的功率平衡,確保2臺電機功率的協調性。當機尾電機扭矩比機頭電機扭矩大,并且差值超過系統設置的閾值時,電機輸出轉速、扭矩和功率的調整過程與上述過程正好相反。

3 協調控制系統的主要硬件選型設計

3.1 CANopen主站硬件選型設計

CANopen主站主要由2部分構成,即CM CANopen模塊以及PLC控制器。

(1)PLC控制器。對于協調控制系統而言,PLC控制器是最關鍵的硬件裝置,其性能好壞直接影響整個系統的綜合性能[10]。在考慮不同控制器性價比的基礎上,選用的是S7-1200型PLC控制器,該型號PLC的CPU型號為1214C AC/DC/RLY,且擁有多功能Profinet端口可以進行編程?？刂破鞑捎媚K化設計,整個控制器由不同模塊構成,每個模塊提供對應的功能。系統中使用的通信模塊和信號模塊,數量分別為3個和8個,還設置有數字量輸入/輸出模塊。

CPU是控制器的核心模塊,本系統中使用CPU的尺寸規格為110×100×75 mm,其工作存儲器、裝載存儲器以及保存性存儲器大小分別為100 KB、4×1 024 KB和10 KB。數字量I/O接口的數量為24個,其中輸入和輸出接口的數量分別為14個和10個。模擬量I/O接口的數量為2個,全部為輸入接口。

(2)通信模塊。通信模塊選用的是CM CANopen模塊,此模塊采用的是即插式設計,使用時比較便捷。通信模塊與PLC控制器通過內部設置的數據映射機理即可實現數據信息的交互,將2個硬件設施融合為一體,提升了數據傳輸的速度及可靠性。在通信模塊的作用下,可以將CANopen從站設備上的數據快速上傳到主站中進行分析,主站下達的控制指令也能快速傳達到從站中。每個通信模塊最多能夠與16個從站節點進行連接,每個CPU可以同時與3個通信模塊進行連接。通信模塊可以通過指示燈來指示通信網絡運行狀態,以便及時發現網絡故障問題。數據傳輸時的波特率為20～1 024 kbps。

上位機需同時與主站中的控制器和通信模塊進行連接,其中前者基于以太網Profinet通信方式,后者通過USB配置線纜進行連接。

3.2 CANopen從站硬件選型設計

功率協調控制系統的CANopen從站主要包括永磁同步電動機和內置通信卡的變頻器構成,電動機為刮板輸送機上的設備,因此本系統主要對變頻器進行詳細介紹。選用的變頻器型號為臺達C2000系列,此系列變頻器屬于磁場向量控制變頻器,利用變頻器可以將50 Hz的交流電壓根據實際需要轉變成為不同頻率的交流電壓。C2000系列變頻器內部設置有CANopen通信卡,具體型號為EMC-COP01。在通信卡的作用下,CANopen從站可以通過CANopen主線實現與CANopen主站之間的連接。

4 功率協調控制軟件程序設計

由于系統中使用的控制器為S7-1200型PLC,所以需要利用西門子提供的Portal軟件進行軟件程序的編寫。軟件平臺分別為項目界面和門戶界面,便于用戶使用,能顯著提升軟件編寫效率。刮板輸送機功率協調控制系統軟件程序流程如圖5所示。

由圖5可知,系統軟件通電開始工作以后,首先需要對變頻器參數進行自學習,然后對CANopen通信參數進行初始化設置。變頻器在正式啟動以前,需要根據電動機的型號參數對自身參數進行自學習設定,需要設定的參數主要包括電機的額定功率、電流、電壓、轉速,電機的極數等。通過自學習可為后續的穩定可靠運行奠定良好的基礎。刮板輸送機由2臺電機進行驅動,需要對每臺電機配備1臺變頻器,初始化設定期間需要對每臺變頻器設置節點地址。將數據通信速率設置為1 Mbps,能滿足系統的實際使用要求。從CANopen主站下達的指令通過通信卡作用在變頻器上,變頻器按指令輸出對應的電壓頻率。

其次進行PLC控制器硬件組態和CM模塊軟件組態?？刂破饔布M態工作在Portal軟件中進行,主要是對PLC控制器的各硬件模塊進行配置連接,設置控制器的網絡連接方式及其IP地址。在對CM CANopen模塊進行初始化設置時,部分參數需要與變頻器通信卡的參數保持一致。將CANopen主站通信模塊節點地址設置為1,2個CANopen從站通信卡的節點地址分別設置為2和3。CM模塊軟件組態工作在CM CANopen模塊供應商HMS公司提供的軟件上完成。CANopen協議共提供了2種數據傳輸方式,分別為SDO和PDO。本系統利用SDO數據傳輸方式對變頻器變量進行配置,包括變頻器控制方式的選擇。其他數據參數利用PDO數據傳輸方式來完成,包括刮板輸送機的運行狀態數據、主站下達的控制指令等。

最后是協調控制程序設計。協調控制程序在軟件中利用梯形圖語言進行編寫。變頻器完成初始化工作以后,可以啟動永磁電動機。程序運行過程中,需要不斷地對變頻器的故障問題進行檢測,若發現變頻器存在故障問題,則需要停止設備運行以確保設備的安全,只有在保障變頻器穩定工作的情況下軟件程序才能夠連續運轉。功率協調控制過程就是對2臺電動機的扭矩進行檢測、比較并控制的過程。

5 系統測試及實踐應用分析

5.1 系統功能測試

為驗證功率協調控制系統的性能,根據上文設計的方案,將其部署到煤礦刮板輸送機工程實踐中,對其各項性能進行了現場測試。測試前搭建好系統并供電,確保設備和系統都能夠正常工作。本次測試將機頭和機尾電機的目標轉速全部設置為300 rpm,2臺電機扭矩差值的閾值Δ設置為額定扭矩的5%。為更好對比,2臺電機的扭矩全部按額定扭矩的百分比進行計算。測試時,在t1時刻將2部電機同時啟動,在t2時刻增加機構電機負載,t4時刻將本文設計的功率協調控制系統投入應用,t6時刻適當降低電機的負載,t8時刻將負載降低至零,同時電機停止運行。測試期間機頭和機尾電機轉速及扭矩百分比隨時間的演變曲線如圖6所示。

圖6 機頭和機尾電機轉速及扭矩百分比隨時間演變曲線Fig.6 Evolution curve of the speed and torque percentage of head and tail motors over time

圖7 不同時刻機頭和機尾電機轉速和扭矩百分比差值Fig.7 Difference between the speed and torque percentage of the head and tail motors at different times

不同時刻機頭和機尾電機轉速和扭矩百分比差值如圖6所示。由圖6可以看出,在t4時刻本系統正式投入使用前,2臺電機的轉速完全相同,均按照設定的300 rpm的轉速進行工作。由于在機頭部位增加了負載,導致機頭電機的扭矩百分比急劇增加。在t4時刻,2臺電機的扭矩百分比差值達到最大值,為87.06%,意味著2臺電機的功率出現了嚴重失調。在t4時刻,功率協調控制系統正式投入應用,機尾電機的轉速開始增加,與此同時,機尾電機的扭矩百分比不斷增加。由于機尾電機分擔了一定的負載,使得機頭電機的扭矩百分比隨之快速降低。系統投入應用后,機頭和機尾電機的扭矩百分比快速達到平衡。即便中間再次對負載進行調整,直到最后停機,2臺電機的扭矩百分比差值都沒有超過系統設定的5%,最大值為3.71%。

5.2 系統實踐應用

根據以上測試發現,功率協調控制系統可以很好地對機頭和機尾電機的扭矩進行協調控制,保證2臺電機功率的協調性。完成測試工作后將系統正式投入應用,目前該系統在工程中的應用時間已經有1年左右。實踐應用結果表明,設計的基于CANopen協議的刮板輸送機功率協調控制系統達到了預期效果,可以對刮板輸送機進行良好的控制,保證了設備的運行穩定性,延長了電機的使用壽命。鑒于設備運行穩定性提升,設備故障率出現一定程度降低。通過對以往的設備維護檢修數據進行對比,發現系統的成功應用,使得設備維護保養成本每年降低了10～15萬元。另外,設備的穩定工作為煤礦開采效率的提升創造了良好的條件,創造的經濟效益和安全效益更大。綜上所述,刮板輸送機功率協調控制系統是成功的,達到了預期的效果,獲得了企業技術人員的一致好評,為企業創造了良好的安全效益和經濟效益。

6 結論

以SGD730/320B型刮板輸送機為對象,結合機頭和機尾雙電機驅動的特點,設計了電機的功率協調控制系統,并將其部署到煤礦工程實踐中,達到了預期效果,所得結論主要有:功率協調控制系統以CANopen協議為基礎,主要包括CANopen從站、CANopen主站和CANopen總線,其中從站數量為2個。系統運行時對2臺電動機的扭矩進行檢測,當扭矩差值超過系統設定閾值時,下達指令對機尾電機的轉速進行調整,以達到平衡2臺電機扭矩的效果,最終實現機頭和機尾電機的功率協調性。將系統應用到工程實踐中,結果發現,系統的投入使用使得機頭和機尾電機的扭矩差值控制在了5%范圍內,有效保障了機動和機尾電機的功率協調性,達到了預期效果,創造了良好的經濟效益和安全效益。