帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)的研究與分析

鄭本濤

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032699）

引言

帶式輸送機(jī)具有運(yùn)輸力強(qiáng)、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)且使用與維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，能方便地實(shí)現(xiàn)程序化的調(diào)控。帶式輸送機(jī)主要用于連續(xù)性運(yùn)輸粉狀、顆粒狀的物料，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)備可在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，并且平穩(wěn)、噪聲低。近年來(lái)，為了降低煤礦開(kāi)采能耗，從設(shè)備的各個(gè)方面去提高輸送機(jī)的輸送效率。一般情況下，提高帶式輸送機(jī)工作效率的主要兩種途徑包括改良設(shè)備的機(jī)械性能提高設(shè)備的電能消耗及電能轉(zhuǎn)化率。

目前提高帶式輸送機(jī)功效的主要途徑有兩種，其一是改良輸送機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高功率傳遞效率，其次就是加入智能電控系統(tǒng)，可以有效降低輸送機(jī)能耗，提高其工作效率。帶式輸送機(jī)在實(shí)際使用中并不是滿負(fù)荷生產(chǎn)，當(dāng)輸送機(jī)負(fù)載降低時(shí)，可以通過(guò)智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，以降低功率的無(wú)效損耗。帶式輸送機(jī)的智能控制系統(tǒng)就是功率與實(shí)際載荷的調(diào)控系統(tǒng)，讓設(shè)備處于載荷與驅(qū)動(dòng)功率相互平衡的狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)在帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)步，引入目前更多的新技術(shù)，使得帶式輸送機(jī)的智能控制系統(tǒng)得到了較大的發(fā)展[1]。

1 帶式輸送機(jī)基本結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)相較于其他類型的輸送機(jī)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、功能可靠、穩(wěn)定性好，帶式輸送機(jī)的一般結(jié)構(gòu)包括機(jī)尾滾筒結(jié)構(gòu)、上料裝置、輸送帶、托輥、皮帶張緊裝置、變向輪、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部件，帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理，如圖1 所示。其中皮帶是主要的承載部件，物料被置于皮帶之上進(jìn)行運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是為輸送機(jī)提供動(dòng)力，皮帶張緊裝置主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)皮帶的松緊度，以保證皮帶與滾輪之間有良好的接觸，為皮帶提供足夠的摩擦力[2]。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)皮帶向前運(yùn)動(dòng)，皮帶主要受到滾筒的摩擦力與物料的重力影響，皮帶可以循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，源源不斷地為物料的運(yùn)輸提供動(dòng)力。皮帶由于具有一定的柔性，若皮帶過(guò)長(zhǎng)容易產(chǎn)生其他的設(shè)備故障，因此皮帶的張緊裝置尤為重要。若皮帶出現(xiàn)老化等現(xiàn)象，則皮帶與滾筒之間的摩擦力隨之改變，從而導(dǎo)致皮帶打滑、皮帶跑偏等故障。

帶式輸送機(jī)的智能控制系統(tǒng)，不僅可以調(diào)節(jié)輸送機(jī)的狀態(tài)，同時(shí)起到了保護(hù)輸送機(jī)的作用，提高設(shè)備的使用壽命[3]。

2 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)特性

帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)方式主要包括直驅(qū)啟動(dòng)和變頻驅(qū)動(dòng)兩種，直驅(qū)相對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)的模式，就是運(yùn)動(dòng)沖擊較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不易控制，輸送機(jī)的物料由于加速度和重物慣性的影響容易對(duì)設(shè)備造成損傷，甚至導(dǎo)致電機(jī)瞬時(shí)電流過(guò)大，從而使電機(jī)被燒毀。帶式輸送機(jī)的變頻啟動(dòng)則具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如易于調(diào)速且不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生較大的載荷沖擊。目前帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速控制是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域[4]。

為了實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)，以最常見(jiàn)的加速度控制曲線為例進(jìn)行分析，帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)加速度曲線與速度等參數(shù)的關(guān)系式可以表示為如下公式：

式中：v 為皮帶線速度；vn為輸送機(jī)額定轉(zhuǎn)速；T 為設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間。

在帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中，為了降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)突然啟動(dòng)對(duì)設(shè)備造成較大的沖擊載荷，因此在啟動(dòng)階段應(yīng)盡量降低帶式輸送機(jī)啟動(dòng)加速度。結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際使用情況與運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)備啟動(dòng)包括括初始階段、爬行階段和主加速階段三個(gè)階段，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)輸送帶逐漸拉緊，可以緩解啟動(dòng)張力所造成的沖擊[5]。

3 帶式輸送機(jī)功率調(diào)控原理

帶式輸送機(jī)功率調(diào)控的核心是根據(jù)輸送帶上的重物進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此首先需要對(duì)輸送帶上的重物進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估，本套輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用了較為先進(jìn)的礦用核子皮帶秤作為輸送機(jī)運(yùn)量的監(jiān)控裝置，相較于傳統(tǒng)的接觸式皮帶秤，該型皮帶秤安全性更好、性能更低、抗干擾能力更強(qiáng)。礦用核子皮帶秤不受輸送帶磨損、張力、跑偏、抖動(dòng)等外界因素的影響，能適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜惡劣的環(huán)境，為帶式輸送機(jī)運(yùn)量的準(zhǔn)確監(jiān)控提供了有效保護(hù)。如圖2 所示為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中受力情況簡(jiǎn)圖[6]。

圖2 帶式輸送機(jī)受力情況

功率的匹配最重要的是對(duì)輸送機(jī)受力狀態(tài)及設(shè)備所載物品重量的準(zhǔn)確計(jì)算與分析，首先對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻尼進(jìn)行分析，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中主要受到的載荷包括基本阻力、重物傾斜重力、附加阻力及特殊阻力等。結(jié)合帶式輸送機(jī)啟動(dòng)特性和功率調(diào)控原理，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)加速度控制曲線，通過(guò)對(duì)輸送機(jī)帶速、運(yùn)量及功率之間關(guān)系進(jìn)行分析，構(gòu)建了帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化模型，該節(jié)能控制模型可為輸送機(jī)的智能控制提供重要參考。

4 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的智能控制系統(tǒng)由現(xiàn)代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、上位機(jī)、主控制站等模塊結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，不同分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的功能，如圖3 所示為帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖?？刂葡到y(tǒng)主要由控制分站及PLC 控制組成的最低控制層，由上位機(jī)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組成的控制系統(tǒng)上層控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)有情況，設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)的特性，主要包括如下幾條設(shè)計(jì)原則：一是安全性，安全是監(jiān)控控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)具有一定的安全性，可保障操作人員的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全；二是可靠性，即系統(tǒng)的硬件與軟件能夠適應(yīng)較惡劣的工作環(huán)境；三是可擴(kuò)展性，要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。

5 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 硬件設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)要介紹了智能控制系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型，包括PLC 控制器、微型處理器、CPU、傳感器等。

5.1.1 PLC 設(shè)計(jì)與選型

PLC 具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)用控制系統(tǒng)的主要控制器，根據(jù)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計(jì)選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的SIMATICS8 系列PLC，該控制器集成度高、工作性能優(yōu)越、控制精度高且響應(yīng)速度較快。

5.1.2 微處理器

控制系統(tǒng)的微處理同樣選擇的是德國(guó)西門(mén)子的WS-S400 系列的集成處理器，該處理器具有多點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)I/O 數(shù)據(jù)接口，滿足煤礦苛刻的機(jī)械和氣候使用條件，可高速高效處理控制系統(tǒng)的信號(hào)。

5.1.3 傳感器

輸送機(jī)控制系統(tǒng)的傳感器較多，其中振動(dòng)傳感器被安裝于皮帶驅(qū)動(dòng)滾輪之上，選用了礦用TY670型振動(dòng)傳感器；溫度傳感器選用的型號(hào)為GMK100型傳感器，該傳感器具有監(jiān)測(cè)精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有溫度超限報(bào)警功能。

5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以iFIX 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)，iFIX是目前全球領(lǐng)先的HMI/SCADA 軟件之一，可為用戶提供較為清晰的可視化編程操作。上位機(jī)控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)分析三個(gè)模塊?？刂葡到y(tǒng)的主要設(shè)計(jì)功能包括對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，以及用戶數(shù)據(jù)的管理和設(shè)備狀態(tài)控制、參數(shù)設(shè)置等?？刂葡到y(tǒng)不僅能夠監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)還可以進(jìn)行提前預(yù)警，如圖4 所示為帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面示意圖，最后對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，智能控制系統(tǒng)各型功能均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際使用情況，完成對(duì)礦用帶式輸送機(jī)的智能化改造工作，在分析了帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)與功率控制原理的基礎(chǔ)上，提出了輸送機(jī)的智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并從控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與可視化操作界面入手進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。最后現(xiàn)場(chǎng)連接控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試效果顯示，該智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)帶式輸送機(jī)載荷變化情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，起到了節(jié)能降耗的作用，對(duì)于控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用具有重要參考意義。