礦用帶式輸送機皮帶張緊智能控制系統設計

仇書文

（潞安化工集團常村煤礦，山西長治 046102）

輸送機作為井下煤礦中最為重要的傳送裝置，發揮著重要的作用，承擔著綜合挖掘中物料、設備的運輸任務，其具有較高的穩定性，同時該設備擁有維修簡單、調節靈活等特性，因此得到了較為廣泛的運用。輸送機類型較多，應用最多的類型則是帶式輸送機。該輸送機最為關鍵的組成部分則是張緊裝置，該裝置可對系統內部的張緊力進行調節，進而保障皮帶的松緊度處在合適的范圍內，防止因過緊或過松而出現輸送問題。一般來說，隨著輸送距離及張緊力的不斷變化，其設備的輸送負載也隨之變化，因此，該輸送機的張緊力與設備負載之間的關系成為了研究的重要領域。我國的研究學者對其進行深入探索，楊興廷、曹劍[1]等人重點研究了張緊力的控制，通過PID 算法計算出輸送設備的張緊力，為設計同步運行的張緊裝置提供了支持。而郭耀華[2]則重點研究了設備的彈性形變，利用檢測裝置測量彈簧形變，進而得出張緊力。雖然輸送機具有較多的優勢，但是也存在以下缺陷：①設備的張緊力無法與其實現自適應，其控制效果較差，達不到較高的精度及靈活度，無法滿足需求。②負載同張緊力之間無法協同，不能根據需求自主調節[1]。因此，為了解決上述的弊端，本文則分析了帶式輸送機的負載變化情況，并設計了自適應的張緊裝置，使其需求能夠符合系統，實現智能化控制。

1 張緊控制方案設計

帶式輸送機的張緊裝置組成結構較為復雜，其大致可分為以下幾部分，包含了電動機、滑輪組、張力傳感器等。在系統運行過程中，電動機會控制滑輪組及鋼絲繩，進而拉緊滾筒，使皮帶張緊。另外，電動機的旋轉方向同張緊力有一定關系，而傳感器則能夠實時檢測張力，張力控制系統則可以通過傳感器的張力反饋進行系統調節，使其符合當前的輸送標準[1]。

帶式輸送機張緊控制方案原則：①皮帶與滾筒之間需要緊密配合，兩者之間不能出現打滑現象；②系統在運行過程中，皮帶的狀態要保持好，懸垂度符合標準，禁止散料；③皮帶的塑性及彈性伸長能夠得到較好的補充；④可為輸送機故障的檢測提供行程；⑤張緊力與輸送機運輸距離及功率相適應；⑥具備良好的制動機制，可面對突發情況，同時，也需要擁有自動報警功能，保障運輸的安全性。

2 硬件設計

帶式輸送機的設計需要滿足一定的需求，設計方案如圖1所示，下面將對其進行詳細闡述。輸送機機身會安裝張緊設備，該設備內置了各類壓力、溫度及張緊力傳感器，可實時檢查設備運行狀態，并將檢查結果進行上傳，反饋給PLC控制器，而該控制器收到的信息需要經過處理才能夠使用，一般的處理包括A/D 轉換及濾波。當控制器接受到處理后的數據時，會將壓力、溫度及電流等值與設定值進行對比，一旦超過設定值則會發生報警，同時會進行自適應調節。同時，該控制器還可以對當前的張緊力進行調節，調節方式同上述方式一致，當張緊力的實際值與設定值差距較大時，變頻器則開始工作，控制電動機的旋轉，進而控制皮帶狀態，使其松開或者拉緊，調節其張緊力。同時該系統還可以實時記錄拉緊力數據，對將該數據上傳給調度中心，使其控制拉緊裝置的運行狀態[1]。

圖1 煤礦用帶式輸送機張緊方案

一般情況下，輸送機的控制設備都會集中在電氣柜中，其內部包含了PLC控制器、傳感器等一系列元件。

本輸送機系統的PLC 控制器也安裝在了電器柜中，其型號為1769-L33ERM，該款控制具有較好的性能，響應速度較快，能夠對系統進行實時控制，同時內置了多個I/0 接口，可進行數據信息的交換。除此之外，該系統還包含了PA2 電源、模擬量模塊、數字量的輸入輸出模塊以及蓋板等。該系統的變頻器是基于Logix 軟件平臺進行開發的，型號為AB PF753，可自動完成參數及系統更新。同時，輸送機包含了張緊力、壓力、溫度、電流傳感器，其型號分別為TJL-7、HSTL-103E、HSTL-800、MIK-DJI-V1-B1 等。傳感器的輸出為電流，其范圍大約在4～20mA，這些電流數據會經過AD 轉換為數字量，并上傳給PLC 控制器進行處理，其具體的地址分配表見表1，在設計軟件時，可根據表1進行編程[2]。

表1 煤礦用帶式輸送機張緊控制方案PLC I/O地址分配

3 軟件設計

帶式輸送機在運行過程中，由于工作狀態不同，其張緊力的大小也不同，可將工作需要的張緊力作為目標張緊力，目標張緊力與實際張緊力的差值作為PLC控制器的輸入，控制器會根據輸入數據進行動態調節，在調節過程中，電動機的運行方向與張緊力大小相關，而運行頻率則代表了調節速度。該調節系統滿足以下規律，張緊力差值與電動機頻率呈正比，也就是說，張緊力差值越小，其運行頻率越小，而當張緊力不超過設定范圍時，其電動機不會運行，對其進行調節[2]。

本系統采用了PID 的控制方案，其具體的控制原理圖如圖2所示，可對用到的參數進行設置，其中張緊力的設定值為FZS；實際值為FZC；兩者間的差值可用ΔF代表。同時，假設電動機的頻率為f，而f與ΔF之間具有關系，其關系為f∝ΔF，下面公式則表示了電動機運行速度與運行頻率間的關系：

圖2 煤礦用帶式輸送機張緊自適應控制方案

式中：s——相應的絞車電動機的轉差率，為定值；

p——相應的絞車電動機極對數，為定值；

τ——相應的減速比，為定值；

n——相應的絞車電動機轉速，r/min。

4 應用分析

本研究的研究對象為潞安化工集團的輸送機系統，并以此為基礎搭建了工業實驗平臺，通過軟件及硬件共同實現其功能。實驗開始的時間為2022 年的1月，實驗持續時間為4個月。在該系統中，其核心設備的參數見表2，該系統可對不同情況下的輸送機電流進行預測，并結合預測值與張緊力實時PID控制[3]。張緊力的設定值為70kN。本系統是基于BP 神經網絡進行預測，精度較好，靈活性強，可實時反映其負載情況，利用該方式對PID 張緊力進行調節要比傳統的調節方式耗時更少，誤差更小，進而增大了控制精度[3]。

表2 帶式輸送機張緊裝置設計參數信息

5 結論

（1）輸送機張緊裝置使用了電流預測方案，可設置張緊力的預測值，并對其進行動態控制，通過傳感器測量的張緊力的實際值與目標值的差值作為系統的輸入數據，利用PID進行動態調節，耗時較小，精度較大，保障了自適應調節的穩定性。

（2）本研究通過對潞安化工集團的綜合平臺進行了研究，表明了其控制方案的可行性，可使輸送機穩定運行，提高了工作效率。

（3）帶式輸送機張緊裝置發展方向具有多樣性，可向智能化方向進行探索。