帶式輸送機智能控制系統可行性探討

宋陽陽

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

大輸送量、長距離輸送帶式輸送機是大型煤礦運輸系統的主要設備，其運行環境相對惡劣，運轉速度高、載荷大，啟、停過程的脈動沖擊頻繁，輸送帶的跑偏、撕帶、打滑問題較多[1-2]。

本文基于帶式輸送機機械結構、運動學特性，研究采用多滾筒雙電動機的匹配控制策略，實現電動機的功率平衡，從而保證帶式輸送機的安全、穩定、可靠運行。

1 帶式輸送機存在問題和不足

隨著煤礦井下輸送距離和運量的增加，一臺電動機已無法提供足夠牽引力，因此需采用多滾筒雙電動機的驅動模式[3]。理論上電動機功率和牽引力是平衡的，輸送機運行中受輸送帶載荷分配、電機特性、皮帶張力的影響，電動機功率和驅動力分配偏離較大，直接造成輸送帶受力和電動機功率負載的不均衡，個別載荷過重的電動機容易出現故障，制約煤礦開采的有序安全進行。

帶式輸送機運行環境較惡劣，隨著控制系統和信息系統的引入，帶式輸送機系統變得相對復雜，盡管采用了各種措施和方法來提高帶式輸送機的安全性和可靠性，但技術人員很少會系統地研究輸送機故障及因果關系，因此缺乏降低輸送機故障發生率的策略和應對手段。

現有輸送系統采用集中控制模式，控制的核心為電機互鎖、延時啟停、電氣設備狀態監控和故障信號傳輸，但是井下輸送系統的設備布置相對分散，目前監控系統采用的單片機和集成電路可靠性差，維護成本高，且控制系統信息傳輸能力有限，很難適應這種惡劣的傳輸環境[4]。

2 智能控制系統的控制策略

輸送機的智能控制必須研究輸送帶自身黏彈性和在牽引力驅動下整個輸送帶張力的變化，選擇最佳可控起動速度曲線，以保證起動的平穩性，降低慣性力對設備的沖擊作用。加速度曲線有四種模式，分別是等（線性）加速度、三角形曲線、正弦曲線、拋物曲線，如圖1 所示。等（線性）曲線速率為0，但啟動加速度最大，啟動沖擊也最大。綜合考慮啟動沖擊和速度變化大小，正弦形加速度（J）曲線是變頻調速驅動的最佳選擇，其加速度（J）和時間（t）曲線方程如下：

圖1 四種加速度曲線

式中：T 為啟動時間，s；αmax為最大加速度，mm/s2。

現代化煤礦生產用長距離帶式輸送機采用雙滾筒或三滾筒驅動模式，通過多個較小驅動單元滿足生產要求，可有效減少輸送機的體積，減小輸送帶最大張力，但是該驅動模式必須提高安裝精度，充分考慮電動機功率失衡、機械偏載等問題。如何保證多電動機之間輸出的功率和牽引力之比與設計比相等，實現多電動機的功率平衡是控制系統設計的關鍵。輸送機在速度為V 時，牽引力源于滾筒與輸送帶的摩擦力，滾筒在電動機驅動轉動時，滾筒1 輸送帶和滾筒切入點的張力T11大于分離點張力T12，張力差為滾筒1 所產生的牽引力，雙滾筒驅動受力分析方法相同，如圖2 所示。

圖2 雙滾筒受力模型

基于模糊控制和PID 控制模式，采用速度補償的模糊PID 控制方法實現兩臺電動機的功率平衡。通過比較器讀取、計算變頻器輸出轉矩差值，通過速度補償對兩臺變頻器的給定輸入速度進行實時修正，以實現滾筒速度和輸出轉矩的同步，實現功率平衡控制，并抑制輸送帶打滑現象。

3 智能控制系統設計與實施

智能控制系統基于PID 控制技術和模糊控制，即使沒有精確的數學控制模型，依然能實現穩定控制。根據轉矩偏差和轉矩偏差率調整PID 參數，保證兩臺電動機牽引力平衡。輸送帶處于偏載時，兩臺電機轉矩快速同步，減少轉矩偏差；電機的轉矩接近時，必須防止超調現象，取消微分環節，直接采用PI控制器增加系統穩定性。兩臺電機轉矩差較大，微分系數（KP）取大值以快速消除轉矩差，并設計積分系數（KI）取零，防止超調的出現。轉矩偏差和轉矩偏差率同號或異號時，兩臺電機轉矩朝偏離方向相同或者相悖，其控制工作原理如圖3 所示，并通過仿真分析模糊PID 的控制性能，調整量化因子和比例因子，滿足預定的控制效果。

圖3 自適應PID 工作原理圖

智能控制系統分為集中控制和現場控制，實現驅動電動機之間的功率平衡。通過I/O 接口發出指令實現起車、緊急停車和故障保護；現場控制設置手動控制按鈕，主要為了應急和調試設備時使用。帶式輸送機智能控制系統分為監控、控制和執行三層。煤礦調度室設置人機界面（HMI），數據傳輸和交換通過以太網交換機與CPU 的以太網模塊完成，組態軟件通過圖形圖標的方式展示控制系統的運行狀態參數。控制層由PLC 為中心現場總線構成，現場總線標準為開放式，屏蔽雙絞線采用傳輸介質，系統為總線拓撲結構，如圖4 所示，控制系統通過讀取I/O 的狀態，對設備運行控制和監視。

圖4 控制系統拓補圖

執行層主要由變頻器和遠程輸出模塊組成。設置一個具有DP 網絡接口的RPBA-01 通信模塊，以實現光電隔離總線信號和短路保護作用。現場控制傳感器電流或電壓值、電氣元件開關、開關檢測信息和執行元件輸出電流。現場控制通過專門設置的屏柜對輸送機主要設備的控制，實現開停設備。具有遠控和檢修的功能，上位機通過按鈕遠程控制輸送機起停；輸送機在檢修時，各部設備可解除連鎖關系，實現獨立運行，完成檢修過程。

4 結論

針對長距離、大運量多滾筒雙電動機帶式輸送機的起動沖擊、多滾筒功率不平衡問題，對比多種加速度曲線與起動速度曲線的優劣，確定以正弦形曲線作為最佳起動速度曲線。基于PID 模糊控制策略，采用速度補償的功率平衡控制模式，實現雙滾筒驅動力的分配比的平衡，從而減少對運輸系統的損害，提高帶式輸送機的運行平穩性，保證煤礦安全、穩定生產。