永磁直聯(lián)帶式輸送機實驗平臺的設計分析

朱志康，王桂梅，劉杰輝，楊立潔

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056000）

1 研究的背景及意義

隨著煤礦工業(yè)技術的迅速發(fā)展，帶式輸送機向大功率、大運量、長距離、高性能等方向發(fā)展，隨之而來的就是能耗的增大。隨著推進煤炭行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟，“節(jié)能減排”已成為煤炭行業(yè)發(fā)展的主流，很多煤炭企業(yè)都對高耗能設備的節(jié)能技術改進工作越來越重視。最佳能耗問題和控制模式是解決帶式輸送機耗能大的問題所在。

永磁直聯(lián)帶式輸送機與傳統(tǒng)帶式輸送系統(tǒng)相比，其結構簡單，具有變頻調速功能、工作效率較高等優(yōu)點，在煤炭行業(yè)的應用日益增長。但由于對于永磁直聯(lián)輸送機的先驗數(shù)據(jù)的缺失，對其運行特性研究不夠深入，特別是復雜工況下運行特性數(shù)據(jù)缺少，缺乏調速依據(jù)，即煤量與帶速、能耗之間的關系，無法實現(xiàn)精準調速，永磁直聯(lián)帶式輸送機大部分高速運行，空載、輕載時輸送帶的速度不調整，導致輸送機產(chǎn)生了大量無效能耗；另一方面，在煤礦現(xiàn)場進行實驗數(shù)據(jù)采集和算法驗證時，需使整個煤礦生產(chǎn)線處于停運的狀態(tài)，由此所造成的經(jīng)濟損失無法估量。為了深入分析永磁直聯(lián)帶式輸送機在運行過程中電機輸入輸出特性、煤運量、皮帶運行速度和功率之間的匹配關系，本文進行永磁直聯(lián)帶式輸在線檢測實驗平臺的研發(fā)。該實驗平臺的研發(fā)對深入獲取永磁直聯(lián)帶式機運行特性數(shù)據(jù)、驗證各種控制算法，進一步實現(xiàn)永磁直聯(lián)輸送機的智能監(jiān)控具有重要意義。

2 國內外研究現(xiàn)狀

文獻[1]馮俊賓分析了帶式輸送機的控制系統(tǒng)及運量與帶速之間的關系，進而實現(xiàn)對變頻器的設計，實現(xiàn)帶式輸送機變頻調速的功能，達到節(jié)能降耗的目標。文獻[2]提出了一種基于激光掃描儀的節(jié)能優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)了帶式輸送機的節(jié)能調速。文獻[3]楊引鎖應用變頻調速技術、模糊控制技術以及PLC控制技術，結合帶式輸送機的實際運行工況，提出了三種節(jié)能調速方案。與傳統(tǒng)的恒速運行方案進行對比，三種方案都能達到節(jié)能降耗的目的。

國外學者也對帶式輸送機節(jié)能控制做了大量的研究，文獻[4]Hans Lauhoff通過對設計標準DIN22101-2002進行分析，對帶式輸送機進行阻力運算，根據(jù)“能量消耗率”，得出填充率在60%～100%，調節(jié)帶速達到節(jié)能是不確切的。文獻[5]Mathaba T考慮了電價臨界峰值下，輸送帶的帶速最優(yōu)調節(jié)問題，采用模型預測控制(MPC)對輸送帶運行進行優(yōu)化。

綜上所述，國內外學者對永磁直聯(lián)帶式輸送機研究較少，先驗數(shù)據(jù)缺失，對其運行特性研究不夠深入。本文進行永磁直聯(lián)輸送機在線檢測關鍵技術研究，研發(fā)永磁直驅帶式輸在線檢測實驗平臺不僅可以降低現(xiàn)場進行實驗所帶來的經(jīng)濟成本，還可以避免現(xiàn)場實驗的潛在危險性，為永磁直聯(lián)帶式輸送系統(tǒng)的節(jié)能減耗研究提供了便利。因此，永磁直聯(lián)帶式輸送系統(tǒng)的實驗平臺的研發(fā)對實現(xiàn)永磁直聯(lián)帶式輸送機的節(jié)能優(yōu)化控制具有重要意義。

3 實驗平臺的設計

永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)實驗平臺主要由永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)、模擬負載系統(tǒng)、參數(shù)測量與控制系統(tǒng)和中央控制與顯示系統(tǒng)組成。

3.1 永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)

該部分主要由三相永磁式同步電動機、變頻驅動控制器、電源控制柜及5000×800mm輸送帶組成。

采用變頻驅動控制器控制三相永磁式同步電動機，進而驅動輸送帶運動，上位機采用PID控制算法實現(xiàn)三相永磁式同步電動機轉速和轉矩的精確自動控制，進行變頻調速，模擬物料的運動、形態(tài)變化等。

通過冷卻系統(tǒng)對永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)進行冷卻，保證該系統(tǒng)長期（不小于5h）穩(wěn)定運行。

3.2 模擬負載系統(tǒng)

該部分主要由磁粉控制器、磁粉制動器、變頻驅動控制器、電源控制柜工業(yè)冷水機等組成模擬負載系統(tǒng)。

擬采用磁粉制動器實現(xiàn)永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)典型工況下（恒定載荷、突變載荷和連續(xù)變化載荷）物料負載的模擬，實現(xiàn)各典型工況負載的動態(tài)實時加載。

循環(huán)式工業(yè)冷水機具備良好的冷卻效果，并能實現(xiàn)冷卻水循環(huán)、制冷等，具有冷卻效果好、成本低的優(yōu)點，故本項目擬采用工業(yè)冷水機實現(xiàn)模擬負載系統(tǒng)的冷卻，以保障模擬負載系統(tǒng)長時間（不小于5h）穩(wěn)定運行。

3.3 參數(shù)測量與控制系統(tǒng)

該部分主要由扭矩轉速傳感器、扭矩轉速變送器、電流傳感器、電流變送器、電壓變送器、溫度傳感器、溫度變送器、振動傳感器、CCD測量模塊、信號隔離劑調理模塊、NI cDAQ信號采集設備、供電模塊組成。結構圖如圖1所示。

圖1 參數(shù)測量與控制系統(tǒng)結構圖

（1）轉速轉矩傳測量。轉速轉矩傳感器采用一體式結構，通過聯(lián)軸器安裝在三相永磁同步電動機和輸送帶之間，通過變送器將轉速轉矩轉換成0～5V電壓，實現(xiàn)驅動電機和磁粉制動器轉速和轉矩的實時測量，并可反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)驅動電機和磁粉制動器的PID精確控制。

（2）電流測量。電流傳感器采用霍爾式傳感器，通過變送器將電流信號轉換成0～5V電壓，實現(xiàn)變頻控制器、三相永磁同步電動機、磁粉制動器、電源控制柜電流大小的精確測量。并可反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)驅動電機和磁粉制動器的PID控制調節(jié)。

（3）電壓測量。直接采用電壓變送器，將電壓信號轉換成0～5V電壓，實現(xiàn)變頻控制器、三相永磁同步電動機、磁粉制動器、電源控制柜電壓大小的精確測量。并可反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動了邏輯控制。

（4）溫度測量。采用貼片式溫度傳感器，安裝在被測體表面，配合溫度變送器將溫度信號轉換成0～5V電壓信號，實現(xiàn)三相永磁同步電動機、磁粉制動器溫度的精確測量。并可反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動了邏輯控制。

（5）振動測量。采用壓電加速度傳感器，安裝在被測體表面，實現(xiàn)三相永磁同步電動機、輸送系統(tǒng)振動信號的精確測量。通過振動信號可進行永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)實驗平臺振動分析和控制。

（6）圖像信息測量。采用高精度CCD模塊，實現(xiàn)輸送帶上物料的三維幾何量測量，后續(xù)可進行物料量估算。

上述六類信號的電壓模擬量通過信號隔離調理模塊，NIcDAQ多通道數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)字化后進入計算機，通過開放的LabVIEW軟件編程可進行存儲、實時顯示、性能參數(shù)計算以及數(shù)據(jù)集的構建，以進行后續(xù)的分析和模型驗證。

3.4 中央控制與顯示系統(tǒng)

該部分包括永磁直驅帶式輸送控制軟件模塊、模擬負載控制軟件模塊、系統(tǒng)性能參數(shù)測量管理軟件模塊等組成。

（1）永磁直驅帶式輸送控制軟件模塊。LabVIEW開發(fā)，控制NI cDAQ的A/O模塊輸出控制信號，按照實驗要求實現(xiàn)永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)的自動控制。

（2）模擬負載控制軟件模塊。通過人機交互界面可以對工況的編輯，完成典型負載模擬；通過在其他環(huán)境下，編輯好工況曲線（N-t曲線），通過U盤導入工況文件數(shù)據(jù)，完成復雜工況下的負載模擬。

（3）系統(tǒng)性能參數(shù)測量管理軟件模塊。LabVIEW和NI-DAQmx開發(fā)；完成本實驗平臺各參數(shù)（電壓、電流、溫度、振動、轉矩、轉速、CCD圖像信息）的實時測量、波形顯示、回放、存儲、導入導出；并可根據(jù)用戶要求定制輸出；可完成本實驗平臺輸入輸出功率、效率、節(jié)能參數(shù)等性能參數(shù)計算，繪制各種性能曲線；完成各典型工況下各模型訓練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的標注、存儲、調用、導入、導出。

4 實驗平臺實現(xiàn)的功能

具備5000×800mm物料的運輸能力，能夠避免物料（如沙石等）的灑落?！澳M負載系統(tǒng)”能夠模擬永磁直驅帶式輸送系統(tǒng)的典型工況，如恒定載荷、突變載荷和連續(xù)變化載荷，實現(xiàn)各典型工況負載的動態(tài)實時加載。且載荷曲線（N-t曲線）可按要求任意編輯，以實現(xiàn)復雜工況的模擬加載。

在線參數(shù)測量系統(tǒng)能夠實現(xiàn)永磁直驅帶式輸送帶、模擬負載系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)各性能參數(shù)（如：溫度、振動、電流、電壓、轉速、轉矩、功率及煤量圖像）的測量與計算、波形/數(shù)值顯示、波形測量、數(shù)據(jù)存儲、回放、導入導出等。

實驗臺控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)永磁同步電動機運動狀態(tài)的控制、模擬負載系統(tǒng)的控制、水冷系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，并根據(jù)運行狀態(tài)進行安全控制和預警，確保運行安全。

控制及測試支持LabVIEW或其他軟件二次開發(fā)，系統(tǒng)各部分具備通訊或控制接口，支持程控調用配置，并且能夠實現(xiàn)各典型工況下各模型訓練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的建立和管理，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，便于第三方軟件或程序的調用。

總體架構設計如圖2所示。

圖2 實驗平臺總體架構圖

5 結語

本實驗臺能夠實現(xiàn)永磁直驅帶式輸送機各性能曲線及其參數(shù)的在線檢測，具有較高的應用研究價值,有利于更深入地掌握永磁帶式輸送機的輸入輸出特性，進行節(jié)能優(yōu)化控制。