刮板输送机智能调速控制系统设计应用*

高存飞

(山西焦煤汾西矿业(集团)有限责任公司 贺西煤矿，山西 吕梁 033000)

0 引 言

刮板输送机是煤矿井下综采工作面的核心设备，与综采工作面的安全、高效生产息息相关。刮板输送机在实际运行过程中存在长时间空载、轻载现象，无法满足智能煤矿节能降耗的目的[1-2]。因此，结合模糊控制技术、变频调速技术设计具备智能调速功能的刮板输送机控制系统成为提升设备工作效率的重要目标。

刮板输送机存在空载、轻载运行时间长，电能浪费严重的问题，因而对综采工作面高效、安全生产带来诸多不利和困难。模糊控制技术、变频调速技术的应用，为综采刮板输送机高效、智能化运行带来便利，应用模糊变频调速技术可以达到刮板输送机智能运行、自适应调速的目的。

基于模糊变频调速技术提出的刮板输送机智能控制方案，在简单分析方案设计、硬件设计的基础上，重点对模糊控制算法进行阐述，通过仿真和实际应用验证设计算法的适用性和正确性，达到刮板输送机自适应调速、智能化运行的目的，对提升煤矿井下综采工作面作业效率具有重要意义。

1 方案设计

刮板输送机智能调速控制方案设计原理见图1所示，机头由1#变频器驱动1#电动机，机尾由2#变频器驱动2#电动机。控制系统以CAN总线通讯模式对1#、2#变频器进行控制，在控制器内部实现模糊变频控制算法。

图1 刮板输送机智能调速控制方案设计原理

控制系统与人机交互界面之间以CAN总线通讯完成数据交互，实时显示刮板输送机运行时的状态数据、故障信息等。

2 方案设计实现

2.1 硬件实现

刮板输送机智能调速控制方案的硬件包括核心芯片、变频器、速度传感器、称重传感器等。选用STM32F107VCT6 DSP为核心芯片，扩展实时时钟电路、JTAG接口电路、存储电路、CAN总线通讯电路等组成最小系统。选用2套BPJV-2*630/1.14型高压组合变频器分别驱动机头、机尾电动机，具备转矩、转速控制模式并支持CAN总线通讯控制模式[3-4]。速度传感器选用的型号为LK-G5000-1，支持±10V、4～20mA电压、电流信号输出，同时支持RS232接口，波特率可设置范围为9 600～115 200 bps，数据长度为8bit，停止位为1bit；供电电源为24 VDC。称重传感器选用的型号为STC-9-1，可输出4～20mA电流信号，称重精度为±3%FDS。

2.2 算法实现

根据刮板输送机运行时的非线性、时变性特点，采用模糊变频控制方案实现刮板输送机智能调速控制。设计的刮板输送机模糊变频控制原理见图2所示，采用比例因子进行参数设定的控制器有利于刮板输送机的自适应控制，从原理上保证了在非线性、时变性的刮板输送机电机控制系统中引入模糊变频控制策略后，该系统的性能能得到改善。

图2 刮板输送机电机模糊变频控制原理图

图3 电压PWM控制信号示意图

HTime(nT)=HTime[(n-1)T]+u(nT)·GU

(1)

式中：GU为输出变量u的比例因子。

(2)

式中“×”运算的含义定义为式(3)：

(3)

式中：“∨”表示取大运算；“∧”表示取小运算。

(4)

(5)

式中：y为转换后的变量，论域为[-7，+7]；x为转换前的变量，论域为[a,b]。

E=INT[GEC·ei]

(6)

(7)

通过上述公式即可将速度误差与速度误差变化精确量转换为区间[-7，+7]上的离散量。15个量化等级对7档模糊子集的隶属度赋值表，μ为隶属度值，取值为0～1。

对于电机速度误差e,当e为负时表明电动机的实际转速大于电机给定转速,这时要求减小PWM调制信号的占空比，从而降低相绕组上工作电压以降低电动机输出转矩,使电动机转速下降，逐步趋近给定转速；当e为正时，电动机的实际转速小于给定转速，这时应该加大PWM调制信号的占空比使电动机调速[7-8]。

表1 模糊规则表

3 系统验证

3.1 仿真测试

图4 模数控制器仿真模型

在负载转矩分别为TL=0.0、1.6 N·m，给定转速分别为n=200、400、800 r/min条件下，对刮板输送机机头、机尾电动机启动时的转速进行仿真并得到响应仿真曲线。

系统在不同给定转速、不同负载下启动时的转速响应超调量均为0；图5为给定转速为800 r/min时的转速响应曲线，图6为系统在不同转速、不同负载下启动时的转速上升时间和转速过渡过程时间的仿真结果，其中曲线1对应的给定转速为n=800 r/min，曲线2对应的给定转速为n=400 r/min，曲线3对应的给定转速为n=200 r/min。

图5 n=800 r/min时的转速响应

图6 系统启动时转速上升时间曲线

从图中可以看出，在同一给定转速下，随着负载转矩的增加，系统启动时的转速上升时间和转速过渡过程时间均相应减小；在同一负载转矩下，随着给定转速的增加，系统启动时的转速上升时间和转速过渡过程时间均相应增加。从仿真结果看出，虽然系统启动时的转速上升时间和转速过渡过程时间随着转速的升高而增加，但时间都较短，可见采用模糊控制策略的刮板输送机转速响应速度快。

3.2 应用测试

在汾西矿业集团贺西煤矿3318智能化综采工作面进行实际应用，刮板输送机为SGZ800/1050，输送量为1 500 t/h，链速为1.5 m/s，机头、机尾电机额定功率均为525 kW，采用BPJV-2*630/1.14型高压组合变频器，可独立输出3个回路并可应用于1 250 kW及以下三相交流异步电动机的变频调速控制。经过3个月工业试验，刮板输送机实现了变频启动且启动时间可根据煤量适当调节，减少了对链条的冲击力，延长了机械部件的使用寿命。刮板输送机实际运行过程中，可根据煤料载量对链速进行变频调速控制，减少了空载、轻载运行时间，达到了节能降耗的目的。

4 结 论

以刮板输送机为研究对象，重点介绍了系统硬件、算法设计思路和方法，基于STM32F107VCT6 DSP芯片，结合模糊控制技术、变频调速技术设计了刮板输送机智能调速控制方案并完成系统测试。

(1) 在满足刮板输送机输送量的前提下，实现了链速自适应调节，减少了设备空载、轻载运行现象，节约了电能。

(2) 经仿真、应用测试，刮板输送机智能调速控制方案满足设计要求，提升了刮板输送机的智能化水平，有助于提升综采工作面的作业效率。