帶式輸送機(jī)皮帶液壓張緊控制系統(tǒng)分析

武 進(jìn)

(山西焦煤特種設(shè)備檢驗(yàn)中心， 山西 太原 030024)

帶式輸送機(jī)是煤礦井下主要的運(yùn)輸設(shè)備之一，負(fù)責(zé)原煤、物料的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。張緊裝置是帶式輸送機(jī)的核心裝置之一，為帶式輸送機(jī)的連續(xù)、穩(wěn)定、長(zhǎng)距離運(yùn)行提供合適的張緊力。帶式輸送機(jī)的張緊力隨著負(fù)載的變化而變化，張緊力過(guò)緊會(huì)觸發(fā)輸送帶發(fā)生斷帶故障；張緊力過(guò)松會(huì)觸發(fā)輸送帶發(fā)生打滑故障[1-3]. 因此，需要設(shè)計(jì)張緊控制系統(tǒng)，使得張緊力能夠隨著負(fù)載變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)張緊裝置的智能控制。針對(duì)帶式輸送機(jī)張緊控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了一系列的研究，如建立負(fù)載動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，利用多元回歸法分析帶式輸送機(jī)載荷與阻力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[4]；建立帶式輸送機(jī)負(fù)載承載能力仿真模型，預(yù)測(cè)不同工作狀態(tài)下的負(fù)載量，指導(dǎo)并自適應(yīng)調(diào)節(jié)張緊力[5]；建立帶式輸送機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流得到當(dāng)前負(fù)載下最優(yōu)控制方案[6]. 在這些研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)帶式輸送機(jī)原皮帶張緊裝置存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，分析并設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程、運(yùn)行過(guò)程以及停機(jī)過(guò)程張緊力自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案。

1 總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)皮帶液壓張緊控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1，由設(shè)備裝置、傳感器組、變頻器組以及控制單元四部分組成。傳感器組的壓力、溫度、電流、張力傳感器安裝于帶式輸送機(jī)機(jī)身合適位置，周期性在線采集傳感器數(shù)據(jù)以掌握帶式輸送機(jī)張緊裝置的運(yùn)行狀態(tài)并為控制單元提供邏輯控制依據(jù)。變頻器組用于自適應(yīng)調(diào)節(jié)和控制張緊小車(chē)的運(yùn)行速度，使得張緊力與負(fù)載自適應(yīng)匹配?？刂茊卧≒LC控制器及其擴(kuò)展模塊以及監(jiān)控與調(diào)度中心，PLC控制系統(tǒng)接收到傳感器組數(shù)據(jù)后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波，為控制張緊裝置提供數(shù)據(jù)依據(jù)；PLC控制系統(tǒng)以通訊模式與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令交互，完成對(duì)變頻器的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩模式控制，同時(shí)接收變頻器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息；PLC控制器同時(shí)還需要處理安裝于帶式輸送機(jī)機(jī)身的復(fù)位按鈕、急停按鈕、制動(dòng)器按鈕、離合器按鈕等數(shù)字量的處理；PLC控制器將傳感器組數(shù)據(jù)、按鈕數(shù)據(jù)以及變頻器組數(shù)據(jù)以通訊模式傳送給監(jiān)控與調(diào)度中心，用于數(shù)據(jù)監(jiān)控與調(diào)度。

2 硬件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)皮帶張緊控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括PLC控制器及其擴(kuò)展模塊、傳感器以及變頻器等。PLC控制器選用羅克韋爾的Compactlogix 1769-L3X系列，該控制器可實(shí)現(xiàn)低成本的分布式、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，集成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口、CAN通訊以及Modbus通訊接口，可直接與外部設(shè)備進(jìn)行通訊；與之配套的電源型號(hào)為1769-PA2、擴(kuò)展出的模擬量模塊為1769-IF4XOF2、數(shù)字量輸出模塊為1769-OB 16、數(shù)字量輸入模塊為1769-IQ. 用于檢測(cè)帶式輸送機(jī)輸送帶張緊力的張力傳感器選用TJL-7，量程為0～150 kN，靈敏度可達(dá)1.5 mV/V，該傳感器兩段采用圓環(huán)緊扣鋼絲繩的固定方式，以保證測(cè)量值的穩(wěn)定和精確[7-9]. 用于檢測(cè)泵站壓力的壓力傳感器選用的型號(hào)為MIK-P-300，該傳感器具備IP65保護(hù)等級(jí)，具有阻燃防震耐沖擊的特點(diǎn)，測(cè)量精度可達(dá)±0.1%；當(dāng)PLC控制器檢測(cè)到泵站壓力大于7.5 MPa時(shí)才可啟動(dòng)泵站，當(dāng)壓力小于5 MPa時(shí)，需重新啟動(dòng)泵站。用于檢測(cè)輸送電動(dòng)機(jī)電流的電流傳感器選用的型號(hào)為MIK-DJI-V1-B1，量程為0～100 A，輸出4～20 mA電流信號(hào)[10-12]. 設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)皮帶張緊控制系統(tǒng)I/O地址分配見(jiàn)表1.

圖1 帶式輸送機(jī)皮帶液壓張緊控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)皮帶液壓張緊自適應(yīng)控制軟件流程分為啟動(dòng)過(guò)程、運(yùn)行過(guò)程以及停機(jī)過(guò)程3部分，見(jiàn)圖2.

PLC控制器首先檢測(cè)并判斷是否接收到故障信號(hào)，如果接收到故障信號(hào)，則立即執(zhí)行制動(dòng)操作，將輸送帶張緊力調(diào)節(jié)至制動(dòng)張緊力，待故障排除后增加制動(dòng)張緊力至110%，并進(jìn)入帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程。PLC控制器接收到帶式輸送機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，依次檢測(cè)液壓油箱油溫、液位、溫度、變頻信號(hào)、張緊力信號(hào)是否正常。傳感器信號(hào)正常且滿(mǎn)足啟動(dòng)條件后，依次啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、張緊絞車(chē)，同時(shí)周期性的檢測(cè)傳感器信號(hào)值。PLC控制器檢測(cè)實(shí)時(shí)張緊力是否達(dá)到帶式輸送機(jī)啟動(dòng)張緊力值，如果沒(méi)有達(dá)到，則控制張緊絞車(chē)按照變頻器給定的頻率調(diào)節(jié)張緊力直至滿(mǎn)足啟動(dòng)要求。當(dāng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的張緊力值滿(mǎn)足啟動(dòng)要求后，啟動(dòng)帶式輸送機(jī)。運(yùn)行過(guò)程中，PLC控制器根據(jù)負(fù)荷的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的張緊力值，使其在設(shè)定的張緊力誤差范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。

表1 帶式輸送機(jī)皮帶液壓張緊控制系統(tǒng)I/O地址分配表

在該過(guò)程中，為提高張緊力調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，采用RBF預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)負(fù)載并根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)載計(jì)算所需張緊力，達(dá)到根據(jù)負(fù)載自適應(yīng)調(diào)節(jié)張緊力的目的。當(dāng)帶式輸送機(jī)停機(jī)時(shí)，將制動(dòng)器、離合器斷開(kāi)，并調(diào)節(jié)張緊力至停機(jī)張緊力，基于變頻器的負(fù)載卸載量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)張緊力值。帶式輸送機(jī)停機(jī)并卸載完成后，保持停止張緊力。

4 應(yīng)用分析

將優(yōu)化設(shè)計(jì)的張緊控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，試驗(yàn)用帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2. 實(shí)際運(yùn)行時(shí)，設(shè)定運(yùn)行張緊力為70 kN，啟動(dòng)張緊力為80 kN，停機(jī)張緊力為55 kN，張緊力允許誤差范圍為3 kN.

圖2 帶式輸送機(jī)張緊力自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟件流程圖

表2 帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

帶式輸送機(jī)負(fù)載變化時(shí)，根據(jù)負(fù)載預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算下一時(shí)刻張緊力預(yù)測(cè)值。如果張緊力預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差超出3 kN時(shí)，啟動(dòng)模糊PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)張緊力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，采集張緊力值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)公式(1)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

(1)

式中：

Fzs—張緊力預(yù)設(shè)值；

Fzc—張緊力實(shí)際值；

δz—張緊力預(yù)設(shè)值與實(shí)際值的相似度。

根據(jù)張緊力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，δz達(dá)87.6%，當(dāng)帶式輸送機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，張緊力自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可有效避免打滑、斷帶等故障發(fā)生，延長(zhǎng)了帶式輸送機(jī)使用壽命。

5 結(jié) 論

優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)皮帶液壓張緊控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，根據(jù)負(fù)載變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)張緊絞車(chē)裝置，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)張緊力的目的。將帶式輸送機(jī)張緊力自適應(yīng)調(diào)節(jié)過(guò)程分為啟動(dòng)、運(yùn)行以及停機(jī)3部分，可簡(jiǎn)化張緊力自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案。優(yōu)化后的張緊控制系統(tǒng)張緊力預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相似度可達(dá)87.6%，可有效降低張緊裝置故障發(fā)生率。