基于CANopen的刮板输送机变频控制系统设计

杨引锁

(西山煤电集团 山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200)

刮板输送机是煤矿综采工作面重要的连续运输设备，具有运输线路长、承载量大等特点[1]. 在井下，刮板输送机的运行工况复杂多变，受采煤机运行速度、液压支架状态的影响较大。刮板输送机由机头、机尾两台交流变频电机共同驱动，在工作状态下，刮板输送机链条处于匀速运行状态，随着采煤机运行速度的变化，刮板输送机局部承载量不同，导致机头机尾功率失衡或振荡，可能会造成机头机尾电机欠载或超载，长时间运行会使刮板输送机的工作效率降低，甚至引发安全事故[2-3].

1 控制方案设计

1.1 系统设计

煤矿用刮板输送机变频控制方案的总体设计见图1，刮板输送机机头包含2台隔爆型三相异步电动机，机尾包含1台隔爆型三相异步电动机。当刮板输送机处于稳定运行状态后，如果想保持机头电机功率与机尾电机功率平衡，由电动机功率与电流的关系可知，只要保证机头电机和机尾电机电流平衡即可，即根据负载变化，PLC控制器通过控制变频器，由变频器调节各个电机的转速，使得机头电机的转矩和机尾电机转矩的差值在合理范围内，避免电机出现欠载或者过载的现象[4-6]. 刮板输送机中3个电机的额定功率相同，在该变频控制系统中，包含3个隔爆型三相异步电动机、有四象限控制功能的矿用变频器2台、CANopen通信数据链路以及PLC控制器。3台异步电动机是控制目标，通过PLC控制器获取、分析刮板输送机运行时各参数，以CANopen通信方式控制变频器，进而由变频器1以及变频器2分别控制机头机尾电机，保证机头电机转矩与机尾电机转矩的差值在合理范围之内。

图1 刮板输送机机头机尾功率平衡结构图

依据刮板输送机的负载变化进行机头机尾电机功率平衡控制，示意图见图2，对于机头电机，当PLC控制器经过逻辑判断后，机头电机电流增大，则判断出负载转矩增大，需要相应地降低机头电机转速，升高机尾电机转速；当PLC控制器识别出机头电机电流减少后，则判断负载转矩减小，需要相应地升高机头电机转速，降低机尾电机转速；对于机尾电机，当PLC控制器经过逻辑判断后，机尾电机电流减小，则判断出负载转矩增大，需要相应的升高机头电机转速，降低机尾电机转速；当PLC控制器识别出机尾电机增大后，则判断负载减小，需要相应地降低机头电机转速，升高机尾电机转速。

图2 依据负载变化的机头机尾功率平衡控制图

1.2 CANopen通信设计

PLC控制器与变频器之间以CANopen通信模式实现数据传送。设置控制机头电机的变频器1的节点地址为0×02，设定控制机尾电机的变频器2的节点地址为0×03，CANopen通信速率为250 kbps. PLC控制器以SDO配置变频器参数，以PDO进行实时数据传送。在CANopen通信系统中，变频器端配置有4个RPDO、4个TPDO，TPDO用于传送变频器的实时数据信息，如变频器的状态、模式、直流母线电压、输入电流、编码器的反馈速度等，RPDO用于改变变频器的控制字、模式、给定转速、给定转矩等参数。每个PDO传送的数据量为8个字节，其参数映射分配表见表1.

由图1可见，随着海水浓度的增加，实验组厚萼凌霄种子的发芽率总体呈下降趋势：当海水浓度在1%以下时，发芽率下降趋势较平缓；当海水浓度大于1%时，发芽率下降趋势显著。实验组厚萼凌霄种子发芽率的具体变化为：当海水浓度为1%时，种子发芽率为46.67%，是对照组的93%；在海水浓度为5%时，种子发芽率为36.67%，是对照组的73%；当海水浓度为10%时，种子发芽率为26.67%，是对照组的53%；当海水浓度为20%时，种子发芽率为20.00%，是对照组的40%；当海水浓度为30%时，种子发芽率为13.33%，是对照组的27%；当海水浓度为40%时，种子发芽率为10.00%，是对照组的20%。

2.2.1 千粒重。施用磷肥能增加小麦的千粒重详见表4，分析可知施用磷肥的小麦千粒重平均为40.3 g，比未施用磷肥的小麦千粒重38.0 g重2.3 g。

PLC控制器与变频器在进行CANopen通信时，PLC控制器通过发送0×6021的控制器、0×6022的模式、0×6030的给定转速以及0×6031的给定转矩来控制变频器进入对应的状态，并进行转速或者转矩控制。同时，变频器将当前的状态信息以及运行过程中的各个参数信息以TPDO的形式传送给PLC控制器，如0×3021的状态信息、0×4021的错误代码。

刮板输送机机头机尾功率平衡CANopen通信的软件流程见图3，首先需要完成变频器与CANopen通信模块的参数初始化，具体包括变频器节点的设置、CANopen通信速率的设置以及软件程序中用到的变量、定时器、计数器以及内存空间的初始化。接着需要配置CANopen通信模块的PDO变量映射，参考表1. 完成PDO变量映射配置后，创建PSOD数据的读写指令块，Swap指令转换PDO原始数据。PLC控制器发送0×6021控制字切换变频器至允许运行状态，可通过变频器返回的0×3021状态字进行确认。当变频器处于允许运行状态后，启动变频器运行。需要通过变频器返回的0×4021判断当前状态变频器是否有故障，如果有故障，则停止变频器运行，结束CANopen通信过程。如果变频器无故障，则PLC控制器采集并比较刮板输送机机头、机尾电机的实时转矩，使得二者实时转矩的差值保持在一定范围之内。当差值超出该范围后，通过调节机头、机尾电机的转速实现机头、机尾电机的功率平衡。

表1 CANopen通信中PDO变量参数映射分配表

图3 刮板输送机机头机尾功率平衡CANopen通信设计图

2 HMI人机界面

基于CANopen的刮板输送机变频控制方案的HMI人机界面以威伦通的eMT3070B人机界面为平台实现。在该HMI人机界面中，实时显示机头电机、机尾电机的状态、转速等参数，实时显示变频器的通信状态、控制字、状态、运行模式、故障代码等重要参数，方便技术人员掌握变频器的运行情况。另外，针对该变频控制系统的各个故障信息，当系统出现故障时，不仅有故障提示，而且会提示解决该故障的基本方法，使得故障能够及时、快速地解决，保证刮板输送机的稳定、连续运行。刮板输送机变频控制系统HMI人机界面见图4.

可我爹就是不同意只给人家三个蛋，虽说村委会借了债，可你打了窑置下固定资产呀。我父亲一直努嘴，要求在床上加个蛋。两人僵持着，实在拗不过老人家，眼看他又像水碓舂米样舂瞌，马上就会昏昏沉睡，李打油这才从篮子里抓出一个蛋，犹豫了好一会儿，终于痛下决心，发狠样在桌边一磕，手一扒，让蛋白蛋黄一分为二分别流进了两只茶杯。那一刻，我突然有流泪的感觉。

图4 刮板输送机变频控制系统HMI人机界面图

3 结 语

刮板输送机是煤矿综采工作面重要的动力输送设备，其安全、稳定、连续运行是提高综采工作面生产效率的重要保障。目前，越来越多的刮板输送机采用双端驱动方式，机头、机尾电机的功率平衡成为亟待解决的问题。设计基于CANopen通信的刮板输送机变频控制系统，通过变频器调节机头、机尾电机的转速，保证其转矩差处于合理区间，保证机头机尾电机不发生欠载、超载的现象，提高了刮板输送机的工作效率和使用寿命。