刮板輸送機智能調速控制系統設計應用*

高存飛

(山西焦煤汾西礦業(集團)有限責任公司 賀西煤礦，山西 呂梁 033000)

刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面的核心設備，與綜采工作面的安全、高效生產息息相關。刮板輸送機在實際運行過程中存在長時間空載、輕載現象，無法滿足智能煤礦節能降耗的目的[1-2]。因此，結合模糊控制技術、變頻調速技術設計具備智能調速功能的刮板輸送機控制系統成為提升設備工作效率的重要目標。

刮板輸送機存在空載、輕載運行時間長，電能浪費嚴重的問題，因而對綜采工作面高效、安全生產帶來諸多不利和困難。模糊控制技術、變頻調速技術的應用，為綜采刮板輸送機高效、智能化運行帶來便利，應用模糊變頻調速技術可以達到刮板輸送機智能運行、自適應調速的目的。

基于模糊變頻調速技術提出的刮板輸送機智能控制方案，在簡單分析方案設計、硬件設計的基礎上，重點對模糊控制算法進行闡述，通過仿真和實際應用驗證設計算法的適用性和正確性，達到刮板輸送機自適應調速、智能化運行的目的，對提升煤礦井下綜采工作面作業效率具有重要意義。

刮板輸送機智能調速控制方案設計原理見圖1所示，機頭由1#變頻器驅動1#電動機，機尾由2#變頻器驅動2#電動機?？刂葡到y以CAN總線通訊模式對1#、2#變頻器進行控制，在控制器內部實現模糊變頻控制算法。

圖1 刮板輸送機智能調速控制方案設計原理

控制系統與人機交互界面之間以CAN總線通訊完成數據交互，實時顯示刮板輸送機運行時的狀態數據、故障信息等。

2.1 硬件實現

刮板輸送機智能調速控制方案的硬件包括核心芯片、變頻器、速度傳感器、稱重傳感器等。選用STM32F107VCT6 DSP為核心芯片，擴展實時時鐘電路、JTAG接口電路、存儲電路、CAN總線通訊電路等組成最小系統。選用2套BPJV-2*630/1.14型高壓組合變頻器分別驅動機頭、機尾電動機，具備轉矩、轉速控制模式并支持CAN總線通訊控制模式[3-4]。速度傳感器選用的型號為LK-G5000-1，支持±10V、4～20mA電壓、電流信號輸出，同時支持RS232接口，波特率可設置范圍為9 600～115 200 bps，數據長度為8bit，停止位為1bit；
供電電源為24 VDC。稱重傳感器選用的型號為STC-9-1，可輸出4～20mA電流信號，稱重精度為±3%FDS。

2.2 算法實現

根據刮板輸送機運行時的非線性、時變性特點，采用模糊變頻控制方案實現刮板輸送機智能調速控制。設計的刮板輸送機模糊變頻控制原理見圖2所示，采用比例因子進行參數設定的控制器有利于刮板輸送機的自適應控制，從原理上保證了在非線性、時變性的刮板輸送機電機控制系統中引入模糊變頻控制策略后，該系統的性能能得到改善。

圖2 刮板輸送機電機模糊變頻控制原理圖

圖3 電壓PWM控制信號示意圖

HTime(nT)=HTime[(n-1)T]+u(nT)·GU

(1)

式中：GU為輸出變量u的比例因子。

(2)

式中“×”運算的含義定義為式(3)：

(3)

式中：“∨”表示取大運算；
“∧”表示取小運算。

(4)

(5)

式中：y為轉換后的變量，論域為[-7，+7]；
x為轉換前的變量，論域為[a,b]。

E=INT[GEC·ei]

(6)

(7)

通過上述公式即可將速度誤差與速度誤差變化精確量轉換為區間[-7，+7]上的離散量。15個量化等級對7檔模糊子集的隸屬度賦值表，μ為隸屬度值，取值為0～1。

對于電機速度誤差e,當e為負時表明電動機的實際轉速大于電機給定轉速,這時要求減小PWM調制信號的占空比，從而降低相繞組上工作電壓以降低電動機輸出轉矩,使電動機轉速下降，逐步趨近給定轉速；
當e為正時，電動機的實際轉速小于給定轉速，這時應該加大PWM調制信號的占空比使電動機調速[7-8]。

表1 模糊規則表

3.1 仿真測試

圖4 模數控制器仿真模型

在負載轉矩分別為TL=0.0、1.6 N·m，給定轉速分別為n=200、400、800 r/min條件下，對刮板輸送機機頭、機尾電動機啟動時的轉速進行仿真并得到響應仿真曲線。

系統在不同給定轉速、不同負載下啟動時的轉速響應超調量均為0；
圖5為給定轉速為800 r/min時的轉速響應曲線，圖6為系統在不同轉速、不同負載下啟動時的轉速上升時間和轉速過渡過程時間的仿真結果，其中曲線1對應的給定轉速為n=800 r/min，曲線2對應的給定轉速為n=400 r/min，曲線3對應的給定轉速為n=200 r/min。

圖5 n=800 r/min時的轉速響應

圖6 系統啟動時轉速上升時間曲線

從圖中可以看出，在同一給定轉速下，隨著負載轉矩的增加，系統啟動時的轉速上升時間和轉速過渡過程時間均相應減??；
在同一負載轉矩下，隨著給定轉速的增加，系統啟動時的轉速上升時間和轉速過渡過程時間均相應增加。從仿真結果看出，雖然系統啟動時的轉速上升時間和轉速過渡過程時間隨著轉速的升高而增加，但時間都較短，可見采用模糊控制策略的刮板輸送機轉速響應速度快。

3.2 應用測試

在汾西礦業集團賀西煤礦3318智能化綜采工作面進行實際應用，刮板輸送機為SGZ800/1050，輸送量為1 500 t/h，鏈速為1.5 m/s，機頭、機尾電機額定功率均為525 kW，采用BPJV-2*630/1.14型高壓組合變頻器，可獨立輸出3個回路并可應用于1 250 kW及以下三相交流異步電動機的變頻調速控制。經過3個月工業試驗，刮板輸送機實現了變頻啟動且啟動時間可根據煤量適當調節，減少了對鏈條的沖擊力，延長了機械部件的使用壽命。刮板輸送機實際運行過程中，可根據煤料載量對鏈速進行變頻調速控制，減少了空載、輕載運行時間，達到了節能降耗的目的。

以刮板輸送機為研究對象，重點介紹了系統硬件、算法設計思路和方法，基于STM32F107VCT6 DSP芯片，結合模糊控制技術、變頻調速技術設計了刮板輸送機智能調速控制方案并完成系統測試。

(1) 在滿足刮板輸送機輸送量的前提下，實現了鏈速自適應調節，減少了設備空載、輕載運行現象，節約了電能。

(2) 經仿真、應用測試，刮板輸送機智能調速控制方案滿足設計要求，提升了刮板輸送機的智能化水平，有助于提升綜采工作面的作業效率。