帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)可行性探討

宋陽陽

（山西西山晉興能源有限責(zé)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(jī)是大型煤礦運輸系統(tǒng)的主要設(shè)備，其運行環(huán)境相對惡劣，運轉(zhuǎn)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、運動學(xué)特性，研究采用多滾筒雙電動機(jī)的匹配控制策略，實現(xiàn)電動機(jī)的功率平衡，從而保證帶式輸送機(jī)的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

1 帶式輸送機(jī)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(jī)已無法提供足夠牽引力，因此需采用多滾筒雙電動機(jī)的驅(qū)動模式[3]。理論上電動機(jī)功率和牽引力是平衡的，輸送機(jī)運行中受輸送帶載荷分配、電機(jī)特性、皮帶張力的影響，電動機(jī)功率和驅(qū)動力分配偏離較大，直接造成輸送帶受力和電動機(jī)功率負(fù)載的不均衡，個別載荷過重的電動機(jī)容易出現(xiàn)故障，制約煤礦開采的有序安全進(jìn)行。

帶式輸送機(jī)運行環(huán)境較惡劣，隨著控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的引入，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)變得相對復(fù)雜，盡管采用了各種措施和方法來提高帶式輸送機(jī)的安全性和可靠性，但技術(shù)人員很少會系統(tǒng)地研究輸送機(jī)故障及因果關(guān)系，因此缺乏降低輸送機(jī)故障發(fā)生率的策略和應(yīng)對手段。

現(xiàn)有輸送系統(tǒng)采用集中控制模式，控制的核心為電機(jī)互鎖、延時啟停、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和故障信號傳輸，但是井下輸送系統(tǒng)的設(shè)備布置相對分散，目前監(jiān)控系統(tǒng)采用的單片機(jī)和集成電路可靠性差，維護(hù)成本高，且控制系統(tǒng)信息傳輸能力有限，很難適應(yīng)這種惡劣的傳輸環(huán)境[4]。

2 智能控制系統(tǒng)的控制策略

輸送機(jī)的智能控制必須研究輸送帶自身黏彈性和在牽引力驅(qū)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(wěn)性，降低慣性力對設(shè)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(diào)速驅(qū)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(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)用長距離帶式輸送機(jī)采用雙滾筒或三滾筒驅(qū)動模式，通過多個較小驅(qū)動單元滿足生產(chǎn)要求，可有效減少輸送機(jī)的體積，減小輸送帶最大張力，但是該驅(qū)動模式必須提高安裝精度，充分考慮電動機(jī)功率失衡、機(jī)械偏載等問題。如何保證多電動機(jī)之間輸出的功率和牽引力之比與設(shè)計比相等，實現(xiàn)多電動機(jī)的功率平衡是控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。輸送機(jī)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(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)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(chǎn)生的牽引力，雙滾筒驅(qū)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?shù)哪：齈ID 控制方法實現(xiàn)兩臺電動機(jī)的功率平衡。通過比較器讀取、計算變頻器輸出轉(zhuǎn)矩差值，通過速度補償對兩臺變頻器的給定輸入速度進(jìn)行實時修正，以實現(xiàn)滾筒速度和輸出轉(zhuǎn)矩的同步，實現(xiàn)功率平衡控制，并抑制輸送帶打滑現(xiàn)象。

3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實施

智能控制系統(tǒng)基于PID 控制技術(shù)和模糊控制，即使沒有精確的數(shù)學(xué)控制模型，依然能實現(xiàn)穩(wěn)定控制。根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差和轉(zhuǎn)矩偏差率調(diào)整PID 參數(shù)，保證兩臺電動機(jī)牽引力平衡。輸送帶處于偏載時，兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速同步，減少轉(zhuǎn)矩偏差；電機(jī)的轉(zhuǎn)矩接近時，必須防止超調(diào)現(xiàn)象，取消微分環(huán)節(jié)，直接采用PI控制器增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)矩差較大，微分系數(shù)（KP）取大值以快速消除轉(zhuǎn)矩差，并設(shè)計積分系數(shù)（KI）取零，防止超調(diào)的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩偏差和轉(zhuǎn)矩偏差率同號或異號時，兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)整量化因子和比例因子，滿足預(yù)定的控制效果。

圖3 自適應(yīng)PID 工作原理圖

智能控制系統(tǒng)分為集中控制和現(xiàn)場控制，實現(xiàn)驅(qū)動電動機(jī)之間的功率平衡。通過I/O 接口發(fā)出指令實現(xiàn)起車、緊急停車和故障保護(hù)；現(xiàn)場控制設(shè)置手動控制按鈕，主要為了應(yīng)急和調(diào)試設(shè)備時使用。帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)分為監(jiān)控、控制和執(zhí)行三層。煤礦調(diào)度室設(shè)置人機(jī)界面（HMI），數(shù)據(jù)傳輸和交換通過以太網(wǎng)交換機(jī)與CPU 的以太網(wǎng)模塊完成，組態(tài)軟件通過圖形圖標(biāo)的方式展示控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)?？刂茖佑蒔LC 為中心現(xiàn)場總線構(gòu)成，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)為開放式，屏蔽雙絞線采用傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4 所示，控制系統(tǒng)通過讀取I/O 的狀態(tài)，對設(shè)備運行控制和監(jiān)視。

圖4 控制系統(tǒng)拓補圖

執(zhí)行層主要由變頻器和遠(yuǎn)程輸出模塊組成。設(shè)置一個具有DP 網(wǎng)絡(luò)接口的RPBA-01 通信模塊，以實現(xiàn)光電隔離總線信號和短路保護(hù)作用。現(xiàn)場控制傳感器電流或電壓值、電氣元件開關(guān)、開關(guān)檢測信息和執(zhí)行元件輸出電流。現(xiàn)場控制通過專門設(shè)置的屏柜對輸送機(jī)主要設(shè)備的控制，實現(xiàn)開停設(shè)備。具有遠(yuǎn)控和檢修的功能，上位機(jī)通過按鈕遠(yuǎn)程控制輸送機(jī)起停；輸送機(jī)在檢修時，各部設(shè)備可解除連鎖關(guān)系，實現(xiàn)獨立運行，完成檢修過程。

4 結(jié)論

針對長距離、大運量多滾筒雙電動機(jī)帶式輸送機(jī)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(yōu)劣，確定以正弦形曲線作為最佳起動速度曲線?；赑ID 模糊控制策略，采用速度補償?shù)墓β势胶饪刂颇Ｊ?，實現(xiàn)雙滾筒驅(qū)動力的分配比的平衡，從而減少對運輸系統(tǒng)的損害，提高帶式輸送機(jī)的運行平穩(wěn)性，保證煤礦安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。