1 引言
随着矿井采煤综合化机械化及其智能化的发展，运输系统改造升级也显得尤为迫切。结合国家相关标准和规范，设计了一种带式输送机电气自动化控制系统，即完美无谐波高压变频器在矿井长运距大功率带式输送机中的应用，系统借助PLC和ifix监控软件对运行过程各数据进行智能化监测与控制。
2 完美无谐波系列变频器原理及主要特点。
6KV GEN3变频器主电路如下图，这种结构被称为级联H桥拓扑或单元串联型拓扑。当采用1700V的IGBT时，每相有6各单元，共需18个单元，而每个功率单元的输出电压为交流577V，则相电压为6*577，即3464V，相应的，其线电压为6KV。每6个功率单元的输出进行串联，串联后得到的三相高压电进行星型连接，中性点浮空。采用多个低压的功率单元串联实现高压输出。在增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减少减小了du/dt对电机绝缘的破坏，并大大消弱了输出电压谐波含量，改善了变频器的输出性能。
图1 6KV 高压变频器主电路图
其主要特点是几近完美的正弦波输出电压。完美无谐波变频器的设计使得变频器本身提供正弦波输出而无需使用外部输出滤波器，这意味着变频器只产生失真极小的电压波形，其产生的电机噪声根本感觉不到。另外，电机也不必降额使用（该变频器可应用于新的或已有的1.0服务因子电机），完美无谐波变频器消除了引发电机发热的有害谐波，同时，变频器引发的转矩脉动（即使在低速范围）也被消除，降低了施加在机械设备上的机械应力。变频装置对输出电缆长度无任何要求，共模电压和dV/dt产生的引力也减至极最小[1]。图2为典型完美无谐波变频器的输出电压电流波形。
图2完美无谐波变频器输出的近似正弦的电压电流波形
3 设备控制策略及系统结构
系统选用罗宾康设计的完美无谐波GEN3系列高压变频器（即NXG-P控制）置于地面高压配电室。变频器与主电机间由约1900m JYV22铠装电缆联结位于井下的高压大功率电机。
系统采用主机、辅机分散布置和主站、分站协同运行的控制策略。其电控部分采用GE Fanuc Automation PACSystems的Rx3i系列PLC作为主站。
分站之一包括PACSystems RX3i Ethernet Network Interface Unit(NIU) 其兼容的模块。其使用Ethernet Global Date (EGD)协议实现以太网通信。以太网全局数据通过生产消费的方式在主、分站间实现共享。一个以太网接口模块既可以组态为生产者也可以组态为消费者[3]，包括带式输送机驱动组件减速器油泵、冷却风扇、主电机冷却风扇、盘式制动器、机头操作台、华宁皮带保护控制器及其它信号。
分站之二为西门子的S7-300。其主要作为系统的从站采集三台变频器数据及控制三者的功率平衡、扭矩控制等。由PACSystems RX3i的第三方模块PBM300通过Profibus-DP总线与PACSystems Rx3i CPU310实现通讯。Profibus-DP协议，DP即Decentralized Periphery（分布式外部设备）的缩写，它是西门子公司提出并主推的一种现场总线协议，该协议被广泛地应用于国内的工业控制领域，实现集散系统间快速的循环数据交换。主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信，特别适用于PLC与现场级分布I/O设备之间的通信。DP是Profibus 中最广的通信方式。Profibus-DP最大的优点是使用简单方便，在大多数甚至绝大多数实际应用中，只需要对网络通信作简单的组态，就可以实现DP网络的通信。用户程序对远程I/O的编程，与对集中式系统的编程基本上没有什么区别。[2] 其主要控制带式输送机驱动组件变频器相关数字量和模拟量及其它信号。S7-300PLC与GEN3变频器采用了两种控制方式：第一种采用硬线控制模式；第二种采用Profibus-DP通信控制模式。正常状态下采用通信控制，当通信线缆因干扰活或有故障时及时切换到硬线模式。这更加保证了整个系统的稳定性和实用性。
本系统上位机采用Ifix 4.5,它是GE 智能平台(GE-IP)提供自动化硬件和软件提供全面的HMI/SCADA解决方案。它为用户提供一个“过程化窗口”，能够完成多节点、多现场的数据和控制系统，选用分布式Clinet/Server结构。工业以太网采用TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议，及网络通讯协议，它可以通过自动化系统连接到企业内部的互联网[2]。利用TCP/IP协议与现场硬件设备通讯，运行中的数据管理，处理使用所取数据，过程监控、监视控制、数据报表、操作记录等，同时，系统将报警信息存入数据库，形成报警报表，方便查询、打印以及事后统计分析。 从而实现“管控一体化”。从而出色地完成系统的分散布置集中监视、控制和管理。
带式输送机电控系统结构布置如下图所示。
图3完美无谐波高压变频器驱动带式输送机电控系统结构图
4系统实现通讯时的关键问题
为了保证电控系统安全稳定运行，其主站与两分站通讯状态需要时刻相互监测。包括Profibus网络和Ethernet网络等，我设计了“心电监护”程序。首先主站、分站主程序编制周期是2S占空比是50%频率是0.5HZ的脉冲信号，命名为“Pulse_consume”，也可利用PLC本身的系统数据产生。主、分站分别编译并下载“心电监护”程序如下：
Pulse_consume
---] [---------------[TON (timer 1)]---
Pulse_consume
---]/[---------------[TON (timer 2)]---
Timer 1.DN Timer 2.DN
---]/[-----------]/[---------------(communication status)----
5系统完善性测试
“心电监护”程序编译并下载后，我在线监测了其正常运行时通信情况，因为通信正常时脉冲1或0的持续时间并不能达到时间继电器的预置值，所以时间继电器始终不会触发。如下图所示。
图4 心电监护脉冲与通信状态脉冲
试验方式一数据链路试验，本试验在带式输送机正常运行我下位机强制消费脉冲信号，强制达到预置值后，主站发出停车指令，带式输送机随即停止，并在上位机报从站通信中断故障。
试验方式二物理链路试验，本试验我直接使NIU分站断电，使其立刻停机，结果仍然与上述及结果一样，上位机报通信故障且带式输送机停机。再拔掉了两站间的网线模拟丢失分站，上位机立即报通信故障且带式输送机即刻停机。
6结语
该“心电监护”程序能对站间通讯状态进行实时监控，为完美无谐波变频器的智能控制提供可靠保障。提高了矿井带式输送机的自动化程度，减少故障排查时间和非正常停停机时间，保证了系统的稳定性和连续性。整个控制方案安装简易、维护方便、使用简单、节能、性能稳定等优点。该带式输送机电气控制方案已在中煤平朔集团成功应用，其优良性能值得大力推广。具有极强的推广价值和应用特性。为公司带来了可观的经济效益。
参考文献:
[1] 西门子（上海）电气传动设备有限公司空冷型完美无谐波系列新一代控制NBH高压变频器用户手册， 992232_C,V1.9
[2] 闵磊，陈燎原，王磊，马群 PLC控制与组态技术在矿用通风机监控系统中的应用 煤矿机械，2012（2）；199-200
[3]廖常初 S7-300/400PLC应用技术 第三版 机械工业出版社 2011-12
[4]秦强林 10KV高压大功率变频器研制与测试[J]. 东方电气评论，2004（9）
[5]张东方，汝长青 大功率无谐波变频器主电路的研究[J]. 煤矿机电，2008（1）：11-13
作者简介：杨鹏飞（1983- ），山西朔州人，技师，二级建造师。2008年毕业于太原大学（现太原学院）电气自动化技术专业，现在中煤平朔发展集团有限公司从事机电控制方面设计及其维护工作。
