帶式輸送機(jī)可控啟動(dòng)裝置設(shè)計(jì)分析及試驗(yàn)研究

荊雯斐

（陽泉華鑫采礦運(yùn)輸設(shè)備有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，隨著采煤工藝及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，帶式輸送機(jī)朝著長距離、大運(yùn)量以及高運(yùn)速的方向發(fā)展，進(jìn)而對帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)等裝置特性提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。因此，將軟啟動(dòng)理念應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的控制中，以實(shí)現(xiàn)長距離帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，減小對工作面電網(wǎng)的沖擊，提高帶式輸送機(jī)使用壽命的目的[1]。

1 帶式輸送機(jī)可控軟啟動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

調(diào)研國內(nèi)外先進(jìn)可控軟啟動(dòng)方式的基礎(chǔ)，初步將其可控軟啟動(dòng)系統(tǒng)分為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證可控啟動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)、制動(dòng)、過載保護(hù)等功能，根據(jù)需求結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2]，設(shè)計(jì)如圖1所示的可控軟啟動(dòng)裝置。

圖1 可控軟啟動(dòng)裝置示意圖

1.2 液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)可控啟動(dòng)裝置的控制需求，為其液壓系統(tǒng)配置冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和離合器制動(dòng)系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)的主要功能是對離合摩擦器進(jìn)行降溫處理；潤滑系統(tǒng)的主要功能是對可控軟啟動(dòng)裝置中各級齒輪進(jìn)行潤滑處理；離合器壓力控制系統(tǒng)通過其中的電液比例溢流閥控制油壓，進(jìn)而控制環(huán)形活塞的行程，從而實(shí)現(xiàn)對輸出軸轉(zhuǎn)速的控制，以達(dá)到調(diào)速的目的。

1.3 電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)可控軟啟動(dòng)裝置電氣控制系統(tǒng)是基于PLC控制器實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到對可控軟啟動(dòng)系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及離合器壓力控制系統(tǒng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)以及保護(hù)等狀態(tài)的控制[3]。本文著重對可控軟啟動(dòng)裝置的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 帶式輸送機(jī)可控軟啟動(dòng)系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，將其可控軟啟動(dòng)裝置的電氣控制功能劃分如下：停止、啟動(dòng)、預(yù)壓、緩沖、加速、慢速以及減速。其中，停止?fàn)顟B(tài)下還需對系統(tǒng)中各個(gè)傳感器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；啟動(dòng)狀態(tài)下需事先對CST進(jìn)行監(jiān)測；預(yù)壓狀態(tài)下主要使輸送帶倒轉(zhuǎn)；緩沖狀態(tài)下使輸送帶低速運(yùn)行一段時(shí)間；加速狀態(tài)下可根據(jù)設(shè)定的加速曲線控制輸送帶加速；慢速狀態(tài)下在未收到停機(jī)信號(hào)時(shí)可在此速度下一直運(yùn)轉(zhuǎn)；減速狀態(tài)即系統(tǒng)收到停機(jī)信號(hào)后在預(yù)定減速曲線下停機(jī)。

為保證可控軟啟動(dòng)裝置電氣控制系統(tǒng)的可靠性和控制精度，需對冷卻油壓傳感器、潤滑壓力傳感器、油溫傳感器、輸出軸轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、離合器壓力傳感器、皮帶打滑傳感器所采集到的信號(hào)作為輸出信號(hào)；將離合器壓力傳感器、冷卻泵運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、冷卻風(fēng)扇運(yùn)行參數(shù)、輸送帶的速度信號(hào)視為控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)[4]。

2.2 系統(tǒng)配置

可控軟啟動(dòng)裝置電控系統(tǒng)的核心硬件為PLC控制器，在PLC控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)如圖2所示的電氣配置系統(tǒng)。

圖2 可控軟啟動(dòng)裝置電氣配置

如圖2所示，可控軟啟動(dòng)裝置電氣系統(tǒng)的主要設(shè)備有CST防爆控制箱，其中安裝有核心PLC控制器，具體PLC控制器的型號(hào)為SLC-5/04，并為PLC控制器匹配了相關(guān)的本安信號(hào)隔離器、頻率/電流轉(zhuǎn)換器、中間繼電器等；此外，可控軟啟動(dòng)裝置還配置了液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示該裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 控制策略

目前，工業(yè)生產(chǎn)中使用較為廣泛的控制算法為PID控制算法。PID控制算法的優(yōu)勢可改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，提升其動(dòng)態(tài)性能。因此，針對帶式輸送機(jī)可控軟啟動(dòng)裝置采用PID控制器完成。而可控軟啟動(dòng)系統(tǒng)控制性能直接受制于PID控制器參數(shù)的合理性，即積分、微分以及比例參數(shù)的確定。

本文采用湊試法對PID控制算法參數(shù)的確定結(jié)果如下：積分系數(shù)為2，比例系數(shù)為0.01，微分系數(shù)為0.5。

可控軟啟動(dòng)裝置電控系統(tǒng)的具體控制流程如下：系統(tǒng)運(yùn)行前期需對冷卻系統(tǒng)中的油壓、油溫等信號(hào)進(jìn)行檢測，若存在異常需通過開啟風(fēng)扇、加熱器等對油壓、油溫進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)發(fā)出報(bào)警；電控系統(tǒng)根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和控制需求對電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，若存在不一致的情況通過PLC控制器結(jié)合PID控制算法實(shí)現(xiàn)對相關(guān)液壓元器件等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

3 可控軟啟動(dòng)裝置試驗(yàn)研究

可控軟啟動(dòng)裝置主要應(yīng)用于對長距離帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率平衡的控制，最終達(dá)到降低輸送帶的張力以提升帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)階段的平穩(wěn)性[5]。為此，本節(jié)將搭建試驗(yàn)平臺(tái)著重對可控軟啟動(dòng)裝置應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，包括有可控軟啟動(dòng)裝置的啟動(dòng)性能、制動(dòng)性能以及輸送帶速度控制性能等。

基于可控軟啟動(dòng)裝置的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)曲線如圖3所示。

如圖3所示，藍(lán)色曲線為輸送帶的速度曲線，包括輸送帶的加速、勻速以及減速運(yùn)行。具體分析如下：0～100 s為輸送帶的加速階段；其中，0～20 s為第一次加速階段，在此階段輸送帶速度達(dá)到1.2 m/s后在此速度下緩沖平穩(wěn)運(yùn)行15 s，保證設(shè)備輸送帶被拉緊，避免輸送帶張力的瞬間增大對系統(tǒng)造成沖擊，從而提升了設(shè)備的使用壽命；此后，從35～100 s為輸送帶的第二次加速，并最終達(dá)到設(shè)定速度要求后勻速運(yùn)行，設(shè)定勻速運(yùn)行時(shí)間為20 s。

基于可控軟啟動(dòng)裝置將減速階段控制在60 s內(nèi)完成，避免由于設(shè)備急停而引發(fā)的一系列事故的發(fā)生。如圖3所示，輸送帶在60 s的時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)。

此外，在帶式輸送機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)、制動(dòng)階段內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)油溫相對穩(wěn)定，在合理范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

基于PLC控制器和PID控制器設(shè)計(jì)了可控軟啟動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)，并對基于可控軟啟動(dòng)裝置帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1）在啟動(dòng)階段通過兩段加速和一段勻速可保證帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)；

2）將制動(dòng)階段時(shí)間延長至60 s可解決由于系統(tǒng)急停而引發(fā)的一系列問題。