帶式輸送機多電機同步控制系統的實驗研究

柴宗榮

（山西潞安化工集團余吾煤業公司供電科，山西 長治 046103）

引言

帶式輸送機是煤炭開采生產中的一個重要設備，特別是一些現代化開采的煤礦，煤礦等物料需要輸送機進行運輸。帶式輸送機具有輸送距離長、結構簡單、可靠性好等優點，帶式輸送機的應用極大地提高了煤礦開采的效益與自動化水平。隨著社會經濟的發展，對煤礦開采設備的自動化、電氣化要求也越來越高，傳統的運輸設備已不能滿足日益增長的需求。因此設計出一套性能可靠、技術先進的帶式輸送機運行監控系統具有重要意義。監控系統不僅可了解設備的運行狀態，同時對輸送機進行遠程控制[1]。

監控系統的主要設計功能是實現對帶式輸送機的集中控制與監控，包括驅動電機的互鎖和延時啟停，并可將電氣設備的運行狀況以及可能出現的故障信息上傳至中央控制計算機。通過輸送機狀態監控系統，可以方便了解設備運行的狀態，輸送機一旦出現異常情況，操作人員可根據系統的反饋提前采取措施，有效地保障了設備的安全運行。輸送機的遠程在線監控系統是一門多學科融合的技術，監控的核心內容在于對傳感器采集的數據進行分析，通過分析皮帶機特征數據來識別、判斷輸送機的狀態[2]。

1 同步控制系統特點

大舉高、長記錄的皮帶輸送機一般配備了多臺驅動電機，由于電機之間存在一定的特征差異以及設備安裝的精度，這就導致多臺驅動電機之間受力不均。特別是皮帶在長時間的運行下，產生了一定的變形，要想精準高效地控制驅動電機的轉速就需要一套同步性控制系統。同步控制系統采用的是集散式控制系統，英文縮寫DCS（Distributed Control System），該控制系統相對于目前主流的集中式控制系統，是一種比較新穎的系統。分散式控制系統基于計算機和通信技術，具有響應快、后期可拓展性、控制精準性等方面的優勢，是一種比較常用的在線監控系統控制方案。

DCS將中央控制、數據傳輸、傳感器數據采集等充分整合起來，完成對皮帶輸送機的監控與控制，該綜合性控制系統具有以下特點[3]：

1）高可靠性。分散式控制系統將不同的功能與子系統進行集成，若某一子系統出現故障，并不會影響系統的其他功能，系統采用了比較合理的冗余配置，有效地提高了控制系統的可靠性。

2）擴展性。可根據需要擴展更多新功能，而不需要將系統從底層進行重構，不存在相互依存的關系，在系統的結構設計時非常便利，用戶使用比較方便。

3）易于維護。分散式控制系統結構相對比較分散，分類明確；管理起來也比較方便，，用戶可以在系統中實現數據交換、報表打印、故障報警、實時趨勢圖顯示等功能[4]。

4）功能齊全。控制系統的功能完善，可實現連續控制與順序控制，可對輸送機狀態進行監控，并可根據輸送機潛在故障進行識別，對輸送機進行集中控制與管理。

2 多電機同步控制流程

根據皮帶輸送機的實際使用經驗可知，驅動電機受力不均可能嚴重縮短電機的使用壽命，有的甚至會燒壞電機。因此需要創建一套同步控制系統，同步控制系統主要由旋轉編碼器、PLC和變頻器組成。編碼器主要負責采集驅動電機的轉速情況、設備運行情況等，傳感器以及編碼器將物理信號轉化為數字信號，再將數字信號傳送到可編程控制器中，PLC則可根據上述信息進行判斷，最后輸出對變頻器的控制信號，從而實現對電機轉速的控制。為了研究多臺電機同步特性，搭建同步試驗平臺，以模擬真實的輸送機多電機驅動問題，系統中以一臺驅動電機為參照基準，若其他驅動電機的轉速偏離基準電機時，系統對各電機進行調控。

調控的原理是根據驅動電機的轉速來確定，可對電機的轉速信號V1、V2進行采集，并以此作為PLC的控制輸入信號，設計PLC根據不同電機轉速差，實現對電機狀態的調節。若電機從電機的轉速小于主電機，則將從電機的轉速進行校準；若從電機轉速大于參考基準電機，則降低從電機的轉速，從而對不同電機同步性進行控制，該控制流程圖如圖1所示。

圖1 同步控制流程圖

3 多機同步控制實驗

實驗驗證同步控制系統的可靠性，設置以兩臺驅動電機為控制對象，實驗室同步控制系統主要包括轉速編碼器、兩臺驅動電機、變頻控制器PLC以及工控機等設備組成。雙電機同步控制系統的結構設計示意圖如圖2所示，編碼器采集電機轉速的脈沖信號，將采集信號傳輸到PLC，最后進過PID回路計算，可編程控制器對變頻器進行控制。下面對實驗室所設計的同步控制系統硬件選型做簡要說明[5]。

圖2 雙機同步控制系統原理圖

選擇采用了浙江聞達的7 kW電機作為驅動電機，其型號為SF1.95-5X，標準工作電壓為220 V，電壓頻率為60 Hz，最大抗過載能力為170%，持續時間小于5 min。選擇溫州嘉沃變頻器，設計選用型號為Y80LSH-0.5，控制輸出頻率范圍0.1~500 Hz，額定功率為3.1 kW，可靠性好、與電機兼容性好。單個電燈泡的功率為120 W，額定工作電壓為220 V，電機轉速編碼器型號為FAL-980-3SD，電機同步控制系統的實驗室平臺實物如圖3所示。

圖3 同步控制試驗臺

4 實驗步驟

同步性控制實驗主要研究對象就是兩臺電機的轉速的問題，所以主要研究目標是電機轉速的控制，下面對該實驗的主要幾個步驟做簡要介紹：

1）首先，在搭好實驗平臺后，接入動力電源線，零線接地、兩向接入220 V電源；變頻器布置安裝于驅動電機之上，變頻器和異步電機都需要接地線，防止設備出現漏電情況對人員設備造成危害。

2）變頻器參數的設置，需對變頻器進行設置，以確保其能根據控制信號對驅動電機提供不同頻率的電源信號；變頻器最大輸出頻率為70 Hz，基本額定頻率為50 Hz，FAM端子最大輸出電壓為10 V；將變頻器頻率設定為電壓方式0~10 V。

3）初步試驗。在所有工作準備就緒后，進行通電試驗；電機在轉動成功后，可以對兩個電機的轉速進行采集。給主動電機20%、30%、50%轉速的階躍信號，觀察從動電機轉速的跟隨能力，數據的采集是每分鐘10次，整個試驗數據采集周期為半小時，觀察三組數據的變化規律。

4）試驗數據分析。最后是對所采集的數據進行分析，實驗數據采集的信號為編碼器的脈沖信號，則脈沖的頻率f與電機轉速n之間的轉換關系為：

其中：1 024表示電機每轉一圈旋轉編碼器發出的脈沖次數。實驗采集驅動電機在30%、60%、80%最大轉速運行時兩臺電機的轉速差。

5 實驗結果分析

由于篇幅有限，在此只列出每種轉速下對兩種電機所采集數據的平均值，求取不同轉速多組數據的平均值，并以此為參考依據。已知30%、60%、80%最大轉速運行時兩臺電機的轉速差平均值如表1所示。

表1 各組實驗均值

通過實驗數據可以得知，在不同的最大轉速實驗組中，兩臺驅動電機數據誤差均在0.2 r/min，說明同步控制系統對電機的速度控制具有很好的效果。實驗驗證了該同步調速系統具有較高的可靠性，可適應驅動電機不同轉速變化對同步性的要求；后期為了驗證同步控制系統的速度跟隨性能，分別加給主動電機20%、30%、50%最大轉速的階躍信號，觀察從動電機轉速的跟隨情況，最終得到實驗數據顯示該同步控制系統，具有良好的速度同步性能，速度跟隨的平均上升時間為5 s，平均調整時間為12 s，均無靜態誤差，綜上所述無論主動電機轉速如何變化，同步系統最終都能達到穩定，同步控制系統展現了良好的控制能力。