排土机ACS880变频调速控制系统设计

马 兵，薛春兰

(1.矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

0 引言

随着大型露天矿开采工艺的不断进步，建设节能高效、绿色环保、智能化的矿山是国际发展趋势。近年来，被国际采矿界公认的“最有生命力”半连续开采工艺在我国露天矿中得到了较大的发展，排土机作为“连续和半连续开采工艺”设备组成中最末端的设备，负责将露天矿地表剥离物排弃至排土场，是露天矿开采生产工艺设备组成中重要的一环。以前，我国所需的大型排土机基本都是依赖进口，世界知名的国外生产公司有德国的KRUPP公司、瑞典的SANDVIK公司等，为了适应国内市场需求，加快露天矿排土机国产化的进程，自主开发研制了大型排土机。该产品采用变频调速控制系统设计，具有输送能力大、能源消耗少、维护费用低、工作效率高等优点。实践证明与传统的卡车运输相比，该变频调速控制系统的投入使用每年能为矿山公司节约数千万元的费用。

1 排土机设备构成、功能及工作流程

1.1 设备构成及功能

图1为排土机实物，主要由受料臂带式输送机、排料臂带式输送机、回转机构、俯仰机构、排土机(SP)行走机构、卸料车(TC)行走机构、卸料车(TC)皮带张紧机构、动力电缆卷筒、控制电缆卷筒、电气室、液压室和司机室等组成，设有液压系统、润滑系统、视频监控系统、语音对讲系统、火灾报警系统、除尘系统、有线无线通讯系统等。

图1 排土机实物

受料臂带式输送机将从卸料车卸料溜槽接收到的物料运送到排土机中心位置，排料臂带式输送机接收受料皮带的物料并传送到排料臂的端部,倾卸物料到排土场，俯仰机构用来顶升和降低排料臂，受料臂悬吊在配重臂上并绕其旋转，行走装置用于排土机在排土场的行走，回转机构实现排料臂和配重臂的回转运动，改变受料臂和排料臂的相对位置，使其满足卸载物料。其中排料臂带式输送机、受料臂带式输送机、行走机构、回转机构、卸料车行走机构、动力电缆卷筒、控制电缆卷筒采用变频调速控制系统，用以满足现场破碎后的物料快速、准确运送至排土场，达到节能降耗，降低生产成本，提高生产效益的目的。

1.2 排土机工作流程

排土机工作流程如图2所示。

图2 排土机工作流程

2 ACS880交流变频调速系统设计

2.1 ACS880交流变频调速系统组成

本文以排料臂带式输送机变频调速主从控制为例，论述ACS880交流变频调速系统组成。从基本结构来看，变频调速系统主要由整流单元、逆变单元、编码器接口模块、DDCS通讯模块、电动机、减速机及机械部件、S7-300PLC等组成，如图3所示。

图3 排料臂带式输送机变频调速系统结构框图

2.2 系统技术要求及设备选型

排料臂带式输送机带速为0 m/s～4.5 m/s,排料臂长度为50 m,排料臂卸料滚筒附近设有探测开关，防止物料撞击排料臂。排料臂由两台电机驱动，驱动电机为三相交流异步电机，为保证排料臂带式输送机启动平稳，速度可调，采用变频电机，每台电机功率为160 kW、速度为0 r/min～1 490 r/min、过载倍数为1.3倍。根据工艺性能参数要求，选用ABB公司的ACS880-01系列交流变频器对排料臂带式输送机进行控制,变频器选型为ACS880-04-505A-3,其中制动单元选型为D150，FEN-31编码器接口模块L502安装在控制单元的扩展插槽中，Profibus DP适配器选型为FPBA-01,操作面板选型为DPMP-01,DDCS主从通讯模块选型为FDCO-01,通讯模块之间通过光纤连接，传输速率为10 Mb/s。

2.3 交流变频调速系统电机主从同步参数设置及调试方法

主/从功能可用于将多个传动连接在一起，并将传动之间的负载平均分配。主机和从机的电机轴通过减速机等刚性耦合，主机为速度控制、从机为转矩控制，从机的转矩给定来自主机的转矩给定信号。通过主从通讯模块FDCO-01实现1#排料电机与2#排料电机的信号传递，具有等时同步功能，即主、从可同时执行转矩给定信号；ACS880变频器完成内部信息交换，保证传动之间没有速度差。

以排土机排料臂两台电机主从同步控制为例，1#排料电机变频器FPBA-01站号设为16号站(主站)，2#排料电机变频器FPBA-01站号设为17号站(从站)，PLC与变频器的网络拓扑图如图4所示，报文组态界面如图5所示。

图4 PLC与变频器的网络拓扑图

图5 报文组态界面

主从同步主要参数设置如下：

1#排料变频器(主站)：

60.01：slot 1A，通讯端口；

60.02：1，节点地址；

60.03：DDCS Master，主机/从机；

60.05：Ring，光纤；

60.60：speed，速度；

60.61：Torque，转矩；

61.01：Follower CW，从机控制字；

61.02：used speed reference，实际速度给定值；

61.03：Torque reference act5，转矩给定值5实际值；

60.14：Follower node 2，选择的从机节点；

62.04：Follower SW，从机状态字。

2#排料变频器(从站)：

60.01：slot 1A，通讯端口；

60.02：2，节点地址；

60.03：DDCS follower，主机/从机；

60.05：Ring，光纤；

62.01：CW 16bit，控制字16位；

62.02：Ref1 16bit，给定值1 16位；

62.03：Ref2 16bit，给定值2 16位；

19.11：Ext1，外部控制模式；

19.12：Add，速度+转矩；

19.14：Add，速度+转矩；

20.01：M/F link，主从链路；

20.02：Level，电平；

26.11：M/F refernce2，主从给定值2；

61.01：SW 16bit，状态值16位；

61.02：Act1 16bit，实际值1 16位；

61.03：Act2 16bit，实际值2 16位。

2.4 通讯程序设计

PLC与1#排料变频器、2#排料变频器之间的通讯是借助于系统功能块SFC15/SFC14进行数据交换，PLC与1#排料变频器读数据程序如下：

L 564(1#排料变频器PLC I地址)

T #ADD

Call SFC14(读程序)

LADDR:= #ADD

RET_VAL:=#RET_VAL_DC1(读返回值)

RECORD:=P#DB243.DBX0.0 BYTE20(将读数据放入DB243块DBX0.0起始地址)

PLC与1#排料变频器写数据程序如下：

L 404(1#排料变频器PLC Q地址)

T #ADD

Call SFC15(写程序)

LADDR:= #ADD

RECORD:=P#DB243.DBX20.0 BYTE20(将写数据放入DB243块DBX20.0起始地址)

RET_VAL:=#RET_VAL_DC2(写返回值)

PLC与2#排料变频器读数据程序如下：

L 592(2#排料变频器I地址)

T #ADD

Call SFC14(读程序)

LADDR:= #ADD

RET_VAL:=#RET_VAL_DC3(读返回值)

RECORD:=P#DB244.DBX0.0 BYTE20(将读数据放入DB244块DBX0.0起始地址)

PLC与2#排料变频器写数据程序如下：

L 432(2#排料变频器Q地址)

T #ADD

Call SFC15(写程序)

LADDR:= #ADD

RECORD:=P#DB244.DBX20.0 BYTE20(将写数据放入DB244块DBX20.0起始地址)

RET_VAL:=#RET_VAL_DC4(写返回值)

3 结束语

ACS880交流变频调速控制系统已被成功应用于排土机上，主从同步控制具有配置简单、参数调整方便、便于维护的优点，良好的动态特性及跟随性保证了整套控制系统的运行性能稳定，提高了生产效率，对实现节能高效、绿色环保、安全生产具有重要意义。