液壓張緊電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

馬松 肖強 袁程野 吳姍姍

摘 要：本系統(tǒng)以PLC為核心，利用張力傳感器對系統(tǒng)的壓力進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對輸送帶的張緊控制。其間采用PID控制算法對采集的壓力值進行參數(shù)整定，實現(xiàn)張緊力的自動調(diào)節(jié)，同時設(shè)置故障報警提醒，便于操作者對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：PLC;液壓系統(tǒng);PID控制

Abstract： The system takes PLC as the core， and uses the tension sensor to adjust the pressure of the system to achieve the tension control of the conveyor belt. During this period， the PID control algorithm is used to set the parameters of the collected pressure value to realize the automatic adjustment of the tension， and the fault alarm reminder is set at the same time to facilitate the operator to monitor the system in real time.

Keywords： PLC;hydraulic system;PID control

目前，帶式輸送機廣泛應(yīng)用于電力、煤礦等領(lǐng)域。帶式輸送機可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送、大批量輸送，物料裝卸方便，與其他輸送設(shè)備相比，帶式輸送機運行可靠，成本低，壽命長，性能穩(wěn)定[1-3]。常規(guī)輸送帶張緊系統(tǒng)在輸送長度變化較大時容易出現(xiàn)問題，已經(jīng)不能有效解決輸送機輸送帶存在的問題，影響輸送機的正常使用。

本文以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)我國輸送機發(fā)展情況和要求，研發(fā)出新型液壓張緊電氣控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用PID控制技術(shù)和可編程控制技術(shù)，為了自動調(diào)節(jié)張力，輸送機啟動階段，系統(tǒng)會自動提供很大的張緊力（約為設(shè)定值1.5倍），輸送機正常工作時，張緊力變小。這樣可以為輸送帶提供正常的張緊力，防止輸送帶啟動時出現(xiàn)打滑和在正常工作時出現(xiàn)過度張緊，延長輸送機壽命[4-6]。本系統(tǒng)提出的新型液壓張緊電氣控制系統(tǒng)具有運行安全可靠、張緊行程大、性能穩(wěn)定的特點，還可以根據(jù)實際工作情況對輸送帶的張緊力進行自動調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

在帶式輸送機中，液壓張緊電氣控制系統(tǒng)在工作時存在兩個階段，即啟動階段和穩(wěn)定運行階段。如圖1所示，啟動階段，當(dāng)輸送帶的張緊力達到啟動要求時，輸送機將會發(fā)出信號給PLC，PLC會執(zhí)行命令，通知帶式輸送機開始啟動。若張緊力沒有達到輸送帶的啟動要求，系統(tǒng)會啟動油泵電機和電磁閥，液壓系統(tǒng)會調(diào)節(jié)張力值，直到達到輸送帶的啟動張緊力。在帶式輸送機穩(wěn)定運行的過程中，液壓張緊電氣控制系統(tǒng)會實時采集輸送帶的張緊力數(shù)據(jù)，當(dāng)張緊力減小到正常張緊力的下限或大于正常張緊力的上限時，系統(tǒng)將會啟動油泵電機來調(diào)節(jié)張緊力，使其達到輸送帶正常張緊力。

1.2 液壓系統(tǒng)部分

系統(tǒng)啟動后，輸送帶開始工作，通過壓力傳感器檢測輸送帶的壓力。當(dāng)壓力為0.9～1.1倍時，三位四通O型電磁換向閥不動作，三位四通O型電磁換向閥處于中位，油路不工作。當(dāng)壓力傳感器感受壓力小于0.9倍時，液壓泵工作，三位四通O型電磁換向閥在左位工作，液壓缸向前運動并使輸送帶繃緊，壓力傳感器感應(yīng)壓力信號經(jīng)PLC控制電磁閥。當(dāng)壓力達到預(yù)定范圍時，三位四通O型電磁換向閥處于中間位置，此時回路中依靠蓄能器維持壓力恒定，使回路中壓力保持在一定范圍，當(dāng)蓄能器中蓄能不足以保證壓力之后，壓力逐漸變小，當(dāng)壓力小于0.9倍時重復(fù)上述循環(huán)。當(dāng)壓力大于1.1倍時，液壓泵不工作，三位四通O型電磁換向閥在右位工作，單桿活塞液壓缸內(nèi)液壓油經(jīng)回路流回油箱卸荷（由壓力作用提供動力），輸送帶由緊變松，當(dāng)壓力達到預(yù)定值時，三位四通O型電磁換向閥在中間位置工作，使輸送帶松緊程度在一定范圍內(nèi)波動。

液壓系統(tǒng)組成如圖2所示。單向閥使油路只能單向流動，保證蓄能器和液壓缸正常工作。溢流閥可以確保油路中液壓油的油壓不至于過大，以至于損毀。油箱是為了供應(yīng)液壓油以及儲存溢流和回路的液壓油[7-10]。

1.3 電氣控制部分

如圖3所示，液壓張緊電氣控制系統(tǒng)的電氣控制部分以西門子S7-200PLC為核心，通過系統(tǒng)運行的指令參數(shù)（起動、運行、停機等）來實現(xiàn)控制。張力傳感器采集的張力值將傳給模擬量輸入輸出模塊EM235，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后送到PLC中，根據(jù)輸送機控制臺發(fā)出的信號，PLC控制系統(tǒng)會按照設(shè)定好的各項參數(shù)，通過程序控制完成對液壓系統(tǒng)的控制。由張力傳感器采集輸送帶張力值，將采集的數(shù)據(jù)反饋給PLC控制系統(tǒng)并與設(shè)定的張力值進行比對;通過壓力傳感器采集液壓系統(tǒng)中的油壓，與設(shè)定值進行比較;根據(jù)上面采集的信號，對輸送帶進行張緊控制。

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)程序流程如圖4所示。在自動狀態(tài)下，若系統(tǒng)張力值達到1.5倍，直接給皮帶機信號啟動;若系統(tǒng)張力值沒達到1.5倍，啟動油泵和電磁閥，直到張力值達到1.5倍，給皮帶機信號，延遲后，停止油泵和電磁閥，皮帶機穩(wěn)定運行中;若張力值處于0.9～1.1倍內(nèi)，油泵和電磁閥不會動作，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié);若張力值小于0.9倍、大于下限保護值，油泵將啟動使張力值達到1.1倍，油泵停止;若張力值大于1.1倍、小于上限保護值，返回，穩(wěn)定運行;若張力值大于上限值或者小于下限保護值，系統(tǒng)將停機。

2.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

2.2.1 PID算法。連續(xù)系統(tǒng)PID控制是最成熟的技術(shù)，也是最常見的調(diào)節(jié)模式。在PID控制系統(tǒng)中，根據(jù)一定的比例，進行積分和微分控制量運算，可以得到管理控制，以達到穩(wěn)定輸出的目的。PID控制器可以通過一定比例進行單元（P）、積分控制單元（I）和微分單元（D）構(gòu)成[2]。輸入端[e（t）]和輸出[u（t）]的系統(tǒng)之間的關(guān)系為：

2.2.2 數(shù)據(jù)處理流程。如圖6所示，系統(tǒng)開始運行后，對數(shù)據(jù)實時進行采樣，利用PID算法對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，處理完畢后將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)最終可以實現(xiàn)帶式輸送機輸送帶張緊力的自動調(diào)節(jié)功能，利用PID算法對張力值進行參數(shù)整定，自動調(diào)節(jié)張緊力。該系統(tǒng)還設(shè)置故障報警提醒功能，便于操作者對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。與現(xiàn)有的液壓張緊電氣控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)利用PID算法對數(shù)據(jù)進行處理，使數(shù)據(jù)的精確度增加，以便根據(jù)輸送帶的運行情況自動調(diào)整張緊力，使其保持穩(wěn)定，延長帶式輸送機的壽命，保證帶式輸送機的有效運行。

參考文獻：

[1]戴建立.帶式輸送機自動張緊裝置的現(xiàn)狀及研究[J].煤礦機械，2007（11）：3-5.

[2]張宏明，王文，寇子明.長距離帶式輸送機液壓絞車自動張緊裝置設(shè)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（8）：78-80.

[3]揭施軍.輸送帶張緊力控制系統(tǒng)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2018.

[4]侯波.帶式輸送機液壓張緊裝置設(shè)計探討[J].煤炭工程，2008（1）：23-25.

[5]仝鑫.自動張緊裝置液壓控制系統(tǒng)的研究[J].機械管理開發(fā)，2013（2）：59-60.

[6]師建國，毛君，劉克銘，等.大型帶式輸送機液壓自動拉緊裝置控制系統(tǒng)研究[J].煤礦機械，2009（4）：125-127.

[7]王晶.基于PID 控制的帶式輸送機液壓拉緊系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（5）：102-104.

[8]郭昌，高清維，崔桂梅.模糊PID控制算法在變頻調(diào)速中的新應(yīng)用[J].電機與控制應(yīng)用，2011（8）：19-22.

[9]王鳳娟.機械設(shè)計制造中液壓機械控制系統(tǒng)的運用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（15）：142-143.

[10]許銳偉.機械設(shè)計制造中液壓機械傳動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].時代農(nóng)機，2019（4）：117-118.