膠帶輸送機特性與控制分析

張保安

（陽泉煤業（集團）有限責任公司奧倫膠帶分公司， 山西 陽泉 045000）

引言

膠帶輸送機是有電機驅動然后由輸送帶來進行貨物運輸的設備，常見于運輸糧食，沙子等物資。膠帶輸送機的運輸有長距離和短距離之分，其中長距離運輸機的驅動系統多采用變頻調速系統。這一系統由變頻裝置和控制系統組成，主要應用于輸送機的調速驅動過程[1]。采用這一變頻調速系統的輸送機，無論其載荷大小，都能夠準確的控制膠帶輸送機的啟動和停止，使這一過程處于動態功率平衡的狀態，并且這一系統的應用對于系統整體性能和可靠性的提高都具有十分重要的意義[2]。

1 膠帶輸送機特性分析

1.1 膠帶機輸送機張力特性

膠帶輸送機的組成元素很多，其中主要有運輸帶，發電機，驅動裝置和保護裝置。其他部件如減速機，張緊裝置等也必不可少。不同用途的膠帶輸送機的組成元素也不盡相同，例如用于運輸煤的膠帶輸送機還配有給料機、料庫、和收塵器等部件。

根據膠帶輸送機組成元素的屬性來判斷，膠帶輸送機在工作的過程中會出現啟動加速和停止減速的運動狀況，其運動力學特征體現在橫向振動、縱向振動以及張力波的疊加，但這些特征往往會造成運輸系統的可靠性降低，嚴重時會導致運輸帶斷開，配料損失和跳帶。一旦出現這些現象，就會給企業造成巨大的損失，由此可見，阻礙張力波的擴散與堆疊，增加運輸系統的可靠性對企業的安全生產具有十分重要的意義。要想防止跳帶和輸送帶斷裂等現象的發生，就必須要對輸送機的動態運輸過程進行嚴格的監督與控制，這不僅能夠延長膠帶輸送機的工作壽命，而且能夠大大削弱輸送機運輸過程中的不安全因素，在一定程度上為企業節約了成本，增加了收益。

由此可見，驅動設備在整個膠帶輸送機的系統中占有十分重要的地位，甚至能夠影響到整個輸送機的性能，因此在驅動設備的選擇上一定要慎重，在已有的輸送機中，驅動設備常見的有調速型液力耦合器，但是這一驅動設備存在許多缺點，不僅工作效率低，消耗電能大，而且在出現故障時維修起來也十分復雜。最嚴重的一點是由于啟動速度過快，運輸帶的可靠性和穩定性都極低，對輸送帶的穩定安全運輸造成威脅。

1.2 膠帶輸送機負載特性與機械特性

膠帶輸送機受到多種阻力，在進行阻力矩計算時就顯得尤為困難，針對這一難題，現有的解決方案是將阻力矩看為一個整體，即電動機上的恒力矩負載。并且將膠帶輸送機上受到的各種阻力進行分段計算，首先啟動力矩即為我們想要計算的靜態阻力矩TL，計算公式如下：

膠帶輸送機機械運動方程為：

式中：Tlq為最大負載力矩；n1為額定負載轉速；Tlc為額定負載力矩；TD為輸出電磁轉矩；GD2為電機飛輪轉矩與換算到電機軸上的負載飛輪轉矩之和。

電動機運動狀態的判斷條件：△T=TD-TL＞0，且d n/d t＞0， 則 為 電 動 機 加 速 ；△T=TD-TL＜0，且d n/d t＜0，則為電動機減速。

膠帶輸送機的初始起動條件為:膠帶輸送機的各種驅動系統的力矩之和比啟動力矩大時，膠帶運輸機啟動，即△T=TD-TLq＞0。

1.3 優化的速度及加速度驅動模型

在進行驅動模型的速度優化時，運輸帶的變形及震蕩可以忽略不計，那么我們可以認為運輸帶的速度與電動機的轉速成正比，即n=kv，下面將這一公式帶入速度優化模型進行計算。在膠帶輸送機運輸的啟動階段，由于運輸帶的張力特性，會導致運輸帶震蕩或者跳帶。針對這一現象，相關人員提出了在輸送系統中增加低速預張緊的步驟，這一方案能夠使張力均勻后輸送帶再繼續按優化的模型進行運動，對于驅動器獲得良好的低速性能具有十分重要的影響。

優化曲線速度模型公式如下:

則加速度a=d v/d t曲線模型可以表示為:

式中：T為啟動周期。

圖2為優化“S”的曲線模型中速度、加速度隨時間的變化曲線。如圖所示曲線①代表速度隨時間的變化情況，曲線②代表加速度隨時間的變化情況。

圖2 為優化“S”，曲線的速度、加速度模型

優化后的模型可以用于長距離膠帶輸送機，由圖2可知，由于啟動時間較長，為了滿足其性能要求，調速驅動的方式應選擇性能較高的。在運輸帶運輸過程的監督和控制方面，可以采用速度閉環矢量的控制方法，這不僅能夠使其擁有良好的低速性能，同時還能優化速度模型，使運輸帶的輸送處于速度和功率的動態平衡狀態。

2 變頻調速控制系統的設計與實現

2.1 多臺電機驅動皮帶傳動方案

本系統由變頻裝置和控制系統組成，主要應用于輸送機的調速驅動過程。采用這一變頻調速系統的輸送機，無論其載荷大小，都能夠準確的控制膠帶輸送機的啟動和停止，使這一過程處于動態功率平衡的狀態，并且這一系統的應用對于系統整體性能和可靠性的提高都具有十分重要的意義。

2.2 主從驅動方案

主從傳動最大的區別在于其控制方法不同，這一方案是將系統中的一臺驅動為主傳動，剩余都作為從傳動控制，并且PLC和各驅動利用PROFiBUS-DP來進行信息的交流，組成一個多電機驅動皮帶的系統。

2.3 降低電網諧波含量

電網諧波含量的降低對于長距離膠帶輸送機的性能優化也具有十分重要的意義，目前主要通過調整變頻器的脈動配置以及進線變壓器的接線方式來降低電網的諧波含量。

2.4 PLC控制實現

主從控制器PLC所給定優化后的曲線啟動模型是變頻器接收的速度信號，電機軸編碼器發出的脈沖信號則是變頻器接收的速度信號后給出的反饋，運輸帶的速度沿著給定的曲線模型隨時間而變化，同時主從傳動之間進行轉矩控制信號的傳遞來使電流和功率處于平衡狀態，膠帶輸送機的停車過程就應用了這一原理，當卸料完成后，控制器發出停車指令，變頻器隨之發出脈沖信號作為速度信號的反饋，隨著時間的變化，膠帶運輸機抱閘，停止運行。同時變頻器的信號值由人工控制輸入，這一功能大大便利了人們對于膠帶運輸機的監督與控制。

2.5 通訊及監控信號接口

為了更好的控制膠帶運輸機的輸送系統，將現場總線作為PLC和變頻器的通訊接口，在進行運輸過程數據控制的同時，還可以利用控制參數等方法來監督和控制膠帶運輸機的輸送系統。

1）從控制器到變頻器的給定信號如表1所示。

表1 從控制器到變頻器的給定信號

2）從變頻器到控制器的信號如表2所示。

表2 從變頻器到控制器的信號

3 項目運行

將上文的研究結果應用到生產實踐中，安裝變頻器后，大大增加了膠帶運輸機的可靠性與安全性，降低了啟動電流，膠帶運輸機發生故障后維修難度降低。將實際安裝了變頻器的運輸系統進行功率核算，數據表明，優化后的膠帶運輸機的輸送系統每年近似節省了1.5萬kWh的電能，節能效果十分明顯。

4 結論

長距離的膠帶運輸機在啟動要求的性能較高，為了更好的進行膠帶運輸機的監督與控制，在了解膠帶機輸送機負載特性與機械特性的同時，要建立速度和加速度的優化模型，減少電網諧波的含量，實現PLC的控制，同時為了保持速度和功率的動態平衡，高精度的變頻調速裝置必不可少，這一裝置能夠將轉矩電流與勵磁電流分割開來進行控制，并最大程度的節約電能，同時建立多電機傳動的方案，將這些措施應用到實際中，必定能夠大幅優化膠帶運輸機的性能。