应用变频调速装置的电铲柔性开斗控制系统★

职 彦

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

在矿藏埋藏较浅的情况下，与传统井工矿相比，露天矿具有开采成本低、效率高及安全系数高等优点，因此是目前首选的开采方式。在露天矿的各种开采设备中，WK系列电铲是目前的核心首选设备，经过多年的发展，已从 WK-4、WK-10发展至WK-20、WK-27、WK-35、WK-55、WK-75 全 系 列 。目前全系列电铲均使用开斗电机+开斗钢丝绳方式控制绷绳及斗底板的打开。

1 开斗机构工作原理

矿用挖掘机由提升、推压、回转和行走四大机构组成[1]。在一个挖掘周期中，先是钢丝绳提升铲斗，同时推压机构把斗杆推向工作面，固定在斗杆上的铲斗在推压机构产生的推力作用下切入矿岩中，在提升机构的作用下随斗杆绕推压轴转动，铲斗在提升和推压力同时作用下，装满物料，然后离开工作面。之后铲斗在回转机构作用下转至卸载处，卸货时，在开斗电机的驱动下开斗钢丝绳拽动开斗销，从而打开斗底板卸货。当电铲处于非卸货状态时，开斗电机输出一个较小的转矩拉动开斗钢丝绳，使钢丝绳处于绷紧而不至于拽动开斗销的状态。

电铲工作时，开斗机构时刻处于工作状态，其工作的稳定性与可靠性直接关系整机的工作效率，对设备的高效运行起着关键作用。

2 主流开斗控制系统

开斗电机在工作中存在绷绳力矩输出与开斗力矩输出两个状态。这两个状态根据不同的挖掘阶段互相转换：整机启动后自动进入绷绳状态，司机操作主令发出开斗信号后，进入开斗状态并持续2 s，2 s后恢复绷绳状态。为了在定频、定压下实现不同的输出转矩，只能改变电机的特性曲线，即采用转子串电阻调速方案。绷绳状态下，开斗电机转子串入一个较大的电阻值，此时输出转矩较低；当司机操作主令发出开斗信号后，将上述电阻值部分短接，此时输出转矩会提高，2 s延时结束后，自动恢复为绷绳转矩。

观察整个开斗电机的工作周期发现：电机大部分时间处于堵转状态，只有某些过度状态，如绷绳启动阶段、开斗启动阶段，推压斗杆回抽过程中电机才会转动，因此电机的设计制造和使用保护显得尤为重要。在绷绳和开斗两种工作状态互相转换的过程中，工作状态点会在两条特性曲线上来回移动，暂态过程必然导致电机输出转矩和速度波动较大。反应到开斗绷绳上，能看到绷绳总处在“跳动”之中，该冲击会极大降低绷绳正常使用寿命，时间久了，也会对电机底座和开斗销等机械部件造成损伤。

从硬件上考虑，该开斗系统需要配置一个和电机配套的电阻柜。为便于现场整定，该电阻柜需预留数个绷绳和开斗档位。在现场使用时，如果开斗效果不佳，比如绷绳状态斗底板自动张开或开斗状态斗底板无法打开，一方面可以通过机械加减垫片整定斗栓插入深度，另一方面可以更换电阻箱上的档位。该方法的局限性在于，档位的调节非连续变化，档位设置过多增加硬件体积和成本，档位设置较少不便于使用。同时，随着时间推移，机械阻力等因素会造成前期整定好的档位需要重新调整。

3 柔性开斗控制系统

为克服上述缺点，现提出一套新的柔性开斗控制系统，该系统由西门子S120模块型功率模块和伺服电机组成[2]，系统组成如下页图1所示。功率模块通过其上附装的CU310-2PN控制单元通过Profinet网络和西门子S7-1500CPU进行通讯，电机编码器的速度信号反馈至CU310-2PN的专用接口内。

该系统与之前相比有如下优点：

图1 柔性开斗控制系统组成示意图

1）体积小，集成度高。西门子S120书本型变频器可以很方便地安装在现有的电气柜中，同时变频器上附装直流制动电阻，无需另设一个制动电阻柜。

2）保护功能更多。变频器中集成了各种电机保护功能，非传统的仅短路、过载保护。

3）控制更加柔和。结合伺服电机选装的速度编码器，变频器可以实现精确的速度控制，调速过程更加柔和，克服以往冲击大的缺陷。

4）人机交互性更强。通过Profinet网络，PLC可实时读取功率模块的各种运行数据，并显示在司机室的触摸屏上，便于直观了解开斗电机运行参数。

3.1 控制策略

开斗电机工作分绷绳和开斗两个状态，二者的区别在于输出转矩不同。按该思路，在变频器中设定为转矩控制方式，速度限幅设为电机的额定转速。变频器数字量输入接口接收PLC发送的数字量，用于识别当前电机状态。在变频器的DCC功能中，预设两个转矩给定值，根据PLC发送的数字量切换。控制框图如图2所示。

图2 柔性开斗控制框图

实际观察发现该控制策略并不能很好地抑制开斗钢丝绳“跳动”，运行过程并不平稳。后期分析认为，由于铲斗位置不同，造成开斗机构的阻力变化较大，电机输出转矩减去机械阻力后才是作用在开斗钢丝绳及开斗销上的终端转矩，终端转矩的波动导致钢丝绳运行并不平稳。

为达到电机平稳输出的目的，改变控制方式为速度控制，转矩限幅。在两种工作状态下，速度给定均为额定收绳速度，转矩限幅随工作状态的改变而改变。该方案较之转矩控制策略的一个明显优势在于电机加速减速时间可调，因此外界阻力发生较大的波动时，电机速度不会发生过大的波动，理论上运行更加平稳。结合伺服电机选装的速度编码器，电机的控制能达到相当的精度。同样，上述功能借助DCC实现，新的功能图如图3所示。

图3 柔性开斗新功能图

启动后发现，电机运行状态明显好转，开斗钢丝绳的启动较为平稳，不同于以前有一个突然抖动的过程。绷绳达到稳定状态后，随着铲斗的移动，钢丝绳始终处于较好的绷紧状态。司机发出开斗指令后，转矩限幅也随之变为开斗限幅，斗底板被平稳拽开，2s后转矩限幅恢复为绷绳限幅。

3.2 人际交互接口

为了适应工作一段时间后开斗系统机械阻力的改变，在司机室画面中增加了两个调节滑块，分别用于调节绷绳转矩和开斗转矩。调节范围对应可能的最大最小转矩，正常工作时所需的转矩值被包含在该范围内。进入该画面需要授权密码管理，以防他人随意更改。

4 应用

山西某矿开斗控制系统自2017年初运行至今，运行良好，开斗钢丝绳使用寿命从之前的15 d左右增加至40 d，电机底座、开斗销等相关机械部件损耗也明显降低。司机和维护人员反映良好，装车效率较之前有提高的同时极大减轻了维护压力。