帶式輸送機液壓張緊自動化控制系統設計應用

任虎云

(山西錦興能源有限公司 肖家洼煤礦，山西 呂梁 033000)

0 引 言

在礦井開采過程中，礦山設備及其關鍵，帶式輸送機作為礦井運輸物料及煤炭的設備，其工作性能在很大程度上制約著煤炭資源的開采。隨著開采量的不斷加大，目前我國的帶式輸送機逐步向著大運距、大容量、高速度的方向發展，單條帶式輸送機的運輸距離已經達到10 km，運量也超過5 000 t/h。在帶式輸送機運行過程中，由于工況環境及運載重量等因素的影響，使得其在運輸過程中及不穩定，常常出現膠帶斷裂、跳帶等問題，因此提出一款液壓張緊自動控制系統設計方案[1]，通過分析帶式輸送機不同工況下的張緊力，設計了帶式輸送機液壓張緊自動控制系統，能夠達到根據載重自動調速的目的，為帶式輸送機正常高效運行提供保障。

1 液壓張緊系統設計分析

張緊系統在帶式輸送機中的應用十分廣泛和重要，目前現有的張緊裝置大多存在響應速度慢和張力低等問題，無法滿足現階段礦井運輸要求，通過采用液壓張緊系統能夠對張緊力進行實時調整，可以解決張緊裝置響應速度慢及張力低的問題。

1.1 張緊系統工作原理

液壓張緊系統由液壓系統產生液壓油在缸內形成壓力，通過氣缸的鋼絲繩對帶式輸送機傳輸牽引張力，同時系統內部設置PLC控制端，其通過接收傳感器傳輸的運行數據進行實時分析，達到根據輸送機操作條件調節張力的作用。液壓張緊系統具有控制精度高、響應速度快，信號處理靈活等優點，適用于高負載運行。

1.2 系統結構組成

液壓張緊系統由多個部分組建而成，其中較為主要有電氣系統、液壓系統等，通過系統本身的PLC控制端及機械、液壓、電氣間的轉換，實現由集中控制箱控制不同張力信號，同時系統給出控制信號，實現機械及液壓部件的自動控制。液壓系統作為張緊系統中最為復雜的部分，其由不同的元件及部分組合而成，其中最為主要的有液壓泵站、換向閥等[2]。液壓泵站模型圖如圖1所示。

(1) 液壓油箱 液壓油箱的設計選用帶有呼吸氣囊和呼吸閥的閉式設計油箱，避免油液與污濁空氣進行接觸，保證油液的清潔。泵站采用集成閥塊，通過疊加布置形式保證后期拆裝方便。油箱選用316L型不銹鋼進行制作，同時設置護罩，適應礦井惡劣的工況環境。在油箱的下部設置蓄能器，有效降低占地面積。在油箱內設有加熱器，確保在低溫情況下仍能正常運行。

圖1 液壓泵站模型圖

(2) 比例溢流閥 比例溢流閥是液壓系統最重要的元件，通過控制器控制比例溢流閥，起到調節油壓，自動調節張力的作用。比例溢流閥設計為錐形閥，通過比例電磁鐵進行驅動，電磁鐵充滿油并連接至端口時，當油量較少時仍能保證恒定運行，同時通過調節放大控制壓力實現電磁鐵的電流調整。比例溢流閥通過改變放大板上的指令值調節系統壓力。當指令變化值發生變化時，此時放大板會改變PWM(脈寬調制)，實現電磁鐵的電流控制，比例電磁鐵會將電流轉為機械能，再通過電樞稍直接作用于彈簧上。達到自動控制。

(3) 液壓泵 液壓泵選擇軸向柱塞變量泵，液壓泵的參數可根據液壓系統需要的張力進行計算獲得，通過選用這種液壓泵可以達到輸出流量與輸出速度及泵排量的比例關系。輸出流量可從零到最大值無級調節，同時采用模糊控制及PID控制，使液壓張緊速度更快且更穩定。馬達同樣選擇軸向柱塞定量馬達，其適用于移動機械，隨著高壓側與低壓側的壓力差而調節扭矩，其結構較為緊湊，啟動扭矩效率高。

1.3 電氣元件選型

基于帶式輸送機張緊系統的驅動系統過程的特性，選擇液壓張緊系統的電氣元件，電氣系統是帶式輸送機液壓張緊自動控制系統的重要組成部件。在進行電氣系統設計時，需要考慮防爆特性，設計一款防爆型控制箱，控制箱的內部主要觸摸屏、輸入輸出繼電器、電機保護、接觸器以及電源組成。其中控制箱中PLC為關鍵元件，其主要用于采集傳感器的數據，如溫度、速度、電壓等參數。根據收集反饋的數據對液壓站電機、比例閥、電磁閥進行控制，同時通過對皮帶發出控制作用，從而達到控制皮帶的作用[2]。電控系統控制框架圖如圖2所示。

圖2 電控系統控制框架圖

控制箱由于在井下進行工作，其處于易燃易爆粉塵中，選定防爆殼體，在控制箱的內部面板上設計多個按鈕控制張緊系統，控制面板上帶有液晶顯示屏，實時觀察及監測帶式輸送機的運行情況及運行參數情況。PLC為控制箱的核心，綜合考慮后選定S7-1200型控制器，其具有如下優點：①指令處理速度快，能夠滿足高需求；②集成多種通信接口，如PROFIBUS、MPI；③具有高速計算輸出模塊及伺服定位控制I/O模塊；④能夠自行組態，可以根據操作人員要求進行選擇安裝；⑤硬件設計較為緊湊，節省控制柜的空間；⑥集成的PROFINET接口能夠用于PLC的編程，HMI通信。接口配置專用的RJ45連接器，能夠提升數據傳輸速率，同時能夠支持多種協議如TCP/IPnative、S7通信等[3]。

控制箱的液晶顯示器選用TPC 7062Ti觸摸屏，顯示器與控制器通過以太網進行連接，可以監控張緊系統的各個參數，同時將部分重要的張緊數據附加于PLC，使得張緊系統能夠更好的解決帶式輸送機出現的情況。液晶顯示器設置界面如圖3所示。

圖3 液晶顯示器設置界面圖

TPC7062Ti觸摸屏屬于MCGS嵌入版。主要顯示由PLC對現場采集的數據，同時用與監測設備數據和狀態。觸摸屏能夠與其他硬件設備進行連接，同時TPC7062Ti擁有先進的Cortex-A8 CPU。顯示屏主要應用了TFT液晶顯示屏，搭配四線電阻式觸摸屏，分辨率為4 096×4 096，并且裝配了專用的MCGS嵌入式組態工具。內部設置有參數設置窗口，對不同的帶式輸送機工況下的參數進行調整。

2 仿真模擬分析

系統仿真(System Simulation)就是根據系統分析的目的，在分析系統各要素性質及其相互關系的基礎上，建立能描述系統結構或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數量關系的仿真模型，據此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息的一種手段，采用Matlab對液壓系統進行仿真分析并觀察其系統穩定性。液壓系統仿真階躍響應曲線如圖4所示。

圖4 仿真階躍響應曲線

由圖4可以看出，液壓系統的單位躍階響應初始時間為0.66 s，此時系統輸出張力，響應速度較快，同時經過8.52 s時，系統能夠穩定輸出張力1.36 kN，系統達到穩定。所以設計的液壓張緊系統穩定性較好，能夠滿足礦井生產需求，可以應用于礦井帶式輸送機[4]。

3 應用效果分析

原有輸送機的運輸長度為2 400 m，針對其機械張緊方式,張緊力低、張緊距離短造成的打滑等問題，設計了型號為DYL-01-6/15自動控制液壓張緊裝置，目前最大的張緊行程可以達到8 000 mm，最大張緊力能夠達到150 kN。張緊裝置目前已經使用一年，其運行良好,并未再出現打滑等現象,滿足運輸需要。帶式輸送機監控系統如圖5所示。

圖5 帶式輸送機監控系統

4 結 語

設計帶式輸送機液壓張緊自動控制系統，首先介紹了帶式輸送機液壓的張緊自動控制系統的總體組成，給出系統液壓部分的設計，對液壓設備的選擇及液壓設備特點、液壓設備工作原理等進行分析。同時介紹了液壓張緊自動控制系統的電氣部分設計方案，對核心元件PLC和觸摸屏進行選型，最后通過仿真分析及應用驗證了所設計的液壓張緊系統穩定性較好，能夠滿足礦井生產需求。