煤礦帶式輸送機電控系統(tǒng)設計

陳 淼

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

帶式輸送機作為現(xiàn)代工業(yè)和物流行業(yè)運輸物料的重要輸送設備而被廣泛應用[1]，其大致上由傳動滾筒、驅動裝置、制動器、機架和膠帶等組成，這正因為這些組成部分結構簡單，使得帶式輸送機具有運量大、范圍廣、效率高的優(yōu)點[2-3]。隨著電氣信息與機械工藝的發(fā)展完善，目前帶式輸送機發(fā)展已經(jīng)進入新的發(fā)展階段，而發(fā)展的核心技術向智能化可控系統(tǒng)、動態(tài)化分析技術、環(huán)保技術等方向進行[3-4]。

帶式輸送機電控系統(tǒng)的合理設計，對于提高整體系統(tǒng)設備效率、減少故障發(fā)生率有著積極推動作用[5-7]，與以往單純增加輸送機帶寬方式相比，增加帶速更能對經(jīng)濟效益提升帶來顯著影響[8]。本文設計的帶式輸送機電控系統(tǒng)，正是實現(xiàn)對帶式輸送機以變頻自動調速的方式進行啟動，使得整個啟動過程減小輸送機各部件的載荷而滿足實際運輸需求，這對煤礦生產(chǎn)降低使用成本和維護成本，提高生產(chǎn)效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 帶式輸送機啟動分析

1.1 電控系統(tǒng)技術指標

（1）井下輸送機等設備所有運行的程序編譯在DSP數(shù)字處理器中，根據(jù)實時反饋做出響應；

（2）當運行設備出現(xiàn)故障時，整個電控系統(tǒng)能及時做出響應識別故障點，并報警顯示具體故障位置；

（3）整個電控系統(tǒng)能實時顯示各項設備運行狀態(tài)，并對重要參數(shù)重點標識；

（4）軟件系統(tǒng)具有二次開發(fā)的功能，具有良好的人機交互界面；

（5）輸送機具有可控啟動、停車前后設備連鎖、自動運行、手動運行等功能模式；

（6）控制系統(tǒng)端預留足夠的輸入輸出端口，特別是控制器容量、電源容量等；

（7）具有無線、有線、遠程控制功能，輸送機電控系統(tǒng)設置有相關響應，能對運行狀態(tài)監(jiān)視并實時傳輸至中控計算機。

1.2 帶式輸送機動態(tài)特性分析

井下帶式輸送機大多采用的是高電壓、大功率電動機進行驅動，同時改變頻率的方式利用高壓變頻器對電動機進行調速，所以說對帶式輸送機電控系統(tǒng)的設計需要滿足適應該電動機軟啟動特性和多機分散設置驅動功率平衡的控制要求， 針對如圖1所示的帶式輸送機模型，對其動態(tài)特性分析如下。

圖1 帶式輸送機模型示意圖

對帶式輸送機模型化可知其動力學方程為：

式中：A為輸送機輸送帶的橫截面；qh為輸送帶每米等效質量；ω(x ,t)為輸送帶單位長度所受的阻力。

對于帶式輸送機啟動初始，帶上每點都處于一種相對靜止狀態(tài)，故可得：

對于帶式輸送機已經(jīng)啟動后并在額定速度下運行，則有：

對于帶式輸送機輸送帶被拉緊時，則有：

綜上（1）、（2）、（3）式可得：

通過對帶式輸送機數(shù)學模型分析與計算并針對性對其進行動力學特性析可以得出以下結論：（1）當輸送機模型采用階躍激勵時引起的動態(tài)沖擊將會很大；（2）當輸送機模型采用斜坡激勵時引起的動態(tài)沖擊相對較??；（3）當輸送機模型采用正弦激勵時，產(chǎn)生的張力效應相比于斜坡效應小些，動態(tài)沖擊也不大，所以可以延長帶式輸送機的使用壽命，降低使用成本，故推薦采用此方式激勵。

2 硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)整體結構設計

整個帶式輸送機電控系統(tǒng)以DSP系列STM32F103ZET6為核心組成全數(shù)字變頻調速矢量控制系統(tǒng)，主要包括電源電路、上位機、檢測模塊、通信電路、模塊、輸入輸出模塊、變頻器等。其中主電路又包括整流、濾波、功率控制、逆變等電路，如圖2所示。

所設計的帶式輸送機電控系統(tǒng)的矢量控制由控制算法與接口電路兩部分組成。控制算法分電流環(huán)和速度環(huán)兩部分，以PID控制為基礎進行旋轉變化與反變換等相關控制，而利用DSP數(shù)字處理器完成系統(tǒng)算法的編譯。其中電流內(nèi)環(huán)以高于外環(huán)的轉速保證系統(tǒng)穩(wěn)定性；通過轉矩的變化完成系統(tǒng)加速響應過程，在系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)下利用最小功率方式降低系統(tǒng)損耗，實現(xiàn)效率最優(yōu)化。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 主控處理器選型

本系統(tǒng)為適用礦井下復雜環(huán)境，以STM32F103ZET6為核心的嵌入式控制芯片，其性能相比于8bit單片機內(nèi)核更為強大，功耗更低，專門實用于工業(yè)控制和消費電子等領域但成本其成本僅略高于8bit單片機。STM32F103ZET6型號的控制處理器有如下特點：

（1）具有12位的數(shù)模轉化端口，每個ADC端口都有18個通道，這些通道中每個都可以單獨處于信號讀取工作模式，并將讀取結果存放在16位的寄存器中，方便對多種數(shù)據(jù)的采集與處理。

（2）擁有USART串口數(shù)為3個，通過此串口可以對指定的數(shù)據(jù)與外部連接設備進行通信連接。

（3）此芯片存儲器容量為521 kB，144個引腳，能同時輸出多路PWM控制信號。

2.3 電機轉速檢測設計

輸送機電機轉速的測量是整個電控系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，其轉速實時監(jiān)測結果直接影響整個電控變頻系統(tǒng)的控制精度。故本系統(tǒng)通過采用光電碼盤利用M法對電機進行測速，工作原理總結為：在選定的某一個周期內(nèi)對脈沖計算，通過如下公式確定其轉速：

式中：Tc為采樣時間；Pn為光電碼盤脈沖數(shù)；m為脈沖數(shù)。

將主控芯片STM32F103ZET6的QEP1和QEP2兩引腳分別與光電脈沖編碼器的A、B兩相連接，將芯片設置成正交編碼脈沖模式后，再設置定時器工作在QEP模式下，QEP電路便可以處理來自兩路相位相差90°的脈沖信號。同時為保證碼盤輸出信號頻率的要求，需設計高速光電隔離電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 高速光電耦合電路

2.4 通信電路設計

為解決控制系統(tǒng)與PC上位機通信的問題，故通過RS-485收發(fā)器進行串口通信。RS485總線因具有使用簡便、容易操作控制、靈敏度高以及成本低的優(yōu)勢被廣泛使用。通過DSP芯片中的SCI接口可以與RS485進行平衡發(fā)送數(shù)據(jù)與差分接收數(shù)據(jù)的功能，設計通信電路如圖4所示。

圖4 DSP與SP3485接口電路圖

2.5 電流檢測電路設計

對于礦井下使用的三相電電流檢測時，需要將其轉化為DSP處理器可以識別的二進制信號，根據(jù)三相電平衡公式，可知只需檢測其中兩相電流即可。為保證整個矢量系統(tǒng)控制精度，采用LEM霍爾電流傳感器。該傳感器工作電壓為±15 V，額定輸入電流為±10 A，工作頻率為0～25 kHz。在實際應用中常出現(xiàn)交流信號有正有負的不相符的問題，所以電流檢測時采用LF353型號的運行放大電路對電流信號進行處理，設計的電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路

3 軟件系統(tǒng)設計

隨著電力電子技術發(fā)展，本系統(tǒng)采用DSP完全適用井下工業(yè)環(huán)境中，而對DSP應用系統(tǒng)軟件的編譯環(huán)境易開發(fā)，程序通俗易懂，整個系統(tǒng)具有小故障率低的優(yōu)勢，被廣泛采用。

在DSP控制的程序中主要包括針對變頻調速裝置設計的帶式輸送機軟起動控制、調速控制、可控控制、經(jīng)濟停車控制、功率平衡控制等，這些通過DSP實時監(jiān)測帶速、電機運行狀態(tài)、電參數(shù)等信號進行判別后，按照既定編譯好的運行規(guī)則程序進行邏輯運行，輸出脈沖完成控制功能。對于輸送機的跑偏、超速、超溫、打滑等基本控制通過將其轉換為開關輸入與輸出信號完成控制功能。設計啟動過程的流程圖如圖6所示。

圖6 啟動流程圖

4 結束語

本文首先對煤礦所需帶式輸送機電控系統(tǒng)的技術指標與需求進行分析，再對其啟動動態(tài)特性進行數(shù)學計算建模，根據(jù)動力學分析求出最佳激勵輸入可以輸送機壽命最優(yōu)化。并以此以DSP數(shù)字處理器為核心設計相關硬件電路與變頻啟動電控系統(tǒng)。在綜合考慮各方面的因素后，實際運行所設計電控系統(tǒng)，有效保證帶式輸送機的長運距、大運量可靠運行，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，適合用于煤礦生產(chǎn)。