礦用帶式輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)設計應用*

羅艷杰

(山西焦煤西山煤電光道煤業(yè)公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

在散裝物料運輸領(lǐng)域，帶式輸送機的運用非常廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單、運輸效率高等顯著優(yōu)勢，特別是在煤礦領(lǐng)域帶式輸送機是非常重要的輸送設備。受電氣控制技術(shù)水平的限制，我國很多煤礦應用的帶式輸送機都是以恒定速度運行，且為了確保輸送機運行過程的安全性，設備實際運載量通常都比最大額定運載量小，造成了電力能源的浪費。結(jié)合帶式輸送機的實際運行情況，對其輸出速度和功率進行動態(tài)優(yōu)化控制是很多學者研究的熱門問題。部分學者過分追求最小能耗，忽視了帶式輸送機運行過程中可能出現(xiàn)的斷帶、打滑等缺陷問題。筆者充分考慮帶式輸送機運行過程特點，對其工作過程進行動態(tài)調(diào)控，在降低能源消耗的基礎(chǔ)上，提升運行的可靠性和穩(wěn)定性。

1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)及動態(tài)調(diào)控概述

1.1 整體結(jié)構(gòu)設計分析

文中主要以DTL120型帶式輸送機為例進行闡述。圖1所示為帶式輸送機整體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，帶式輸送機主要由五大部分構(gòu)成，分別為驅(qū)動滾筒、改向滾筒、托輥、輸送帶以及張緊裝置。利用電機對設備進行驅(qū)動，電機輸出的動力經(jīng)減速器后傳輸?shù)津?qū)動滾筒中，驅(qū)動滾筒與輸送帶之間存在摩擦力，利用摩擦力驅(qū)動輸送帶運動。托輥的作用是對輸送帶進行支撐，張緊裝置的作用是確保輸送帶時刻處于張緊狀態(tài)，保證皮帶與滾筒之間的摩擦力。

圖1 帶式輸送機整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 動態(tài)優(yōu)化調(diào)控分析

目前很多帶式輸送機中都匹配了變頻調(diào)控控制系統(tǒng)，可以根據(jù)實際情況對設備運行速度進行調(diào)控。設備在改變運行速度時會呈現(xiàn)出復雜的動態(tài)特性，給速度調(diào)整造成了一定難度。如果控制不當，可能導致輸送帶與滾筒之間出現(xiàn)打滑問題，若速度變化過快可能導致斷帶現(xiàn)象。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)并沒有考慮速度變化對設備運行動特性造成的運行不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，對帶式輸送機速度進行調(diào)整時，需要考慮設備運行時的高階次動態(tài)特性，并以此為約束條件開展控制工作[1]。

影響輸送帶的動態(tài)特性的因素很多，像輸送帶本身的動特性；輸送帶所受到的阻力，運動部分的慣性;輸送帶懸垂度的影響驅(qū)動力及制動力的特性;拉賢裝置的影響等。具體的影響因素如下：輸送帶本身動特性影響:輸送帶在承受拉力時，表現(xiàn)出非常復雜的力學特性這包括應力與應變呈非線性關(guān)系，即其彈性模量是應力的函數(shù);輸送帶在拉伸過程中，有滯后現(xiàn)象，即加載和卸載應力應變關(guān)系不一致；具有顯著的變和松弛現(xiàn)象；拉力作用下的變形與拉力的變化速度有關(guān)。

2 動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)整體方案設計

圖2所示為帶式輸送機運行速度動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)的整體方案框圖。主要是利用各種傳感器對帶式輸送機的各種狀態(tài)參量進行檢測，狀態(tài)參量主要包括電機輸出轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、輸送帶單位長度上煤礦物料重量等。所有檢測到的狀態(tài)參量通過網(wǎng)絡傳輸?shù)?PLC 控制器中進行分析與處理，判斷帶式輸送機實際運行速度與其輸送重量之間是否匹配。分析后如果發(fā)現(xiàn)兩者之間比較匹配，則無需進行調(diào)控。如果發(fā)現(xiàn)兩者之間不匹配，控制器下達控制指令，變頻器根據(jù)指令調(diào)整輸出電壓頻率，進而調(diào)整異步電機輸出轉(zhuǎn)速，達到調(diào)控帶式輸送機運行速度的目的，確保設備運行速度與煤礦物料重量相匹配，實現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

圖2 動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)的整體框架圖

此系統(tǒng)在對帶式輸送機運行速度調(diào)控時，充分考慮了設備的動態(tài)特性。對動態(tài)特性影響最顯著的是設備自身的運行速度及其加速度。如果設備運行速度過大，超過了設備的承載能力，必然會影響設備運行穩(wěn)定性；如果輸送帶運行速度過小，導致煤礦物料在皮帶上大量堆積，容易產(chǎn)生斷帶和打滑的問題；對速度進行調(diào)整時如果加速度過大，也容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象?；诖?，在調(diào)控帶式輸送機運行速度時，需要以輸送帶速度范圍及其加速度大小作為約束條件，提升速度調(diào)控過程的穩(wěn)定性。

3 動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)硬件選型設計

動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)涉及到的硬件類型和數(shù)量比較多，以下主要對最重要的硬件，如PLC控制器、網(wǎng)絡通訊部分等進行詳細介紹。

3.1 PLC控制器

PLC控制器是整個動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)的核心，所有傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息都要通過通訊網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂破髦羞M行分析和處理，并給出分析結(jié)果，基于該結(jié)果下達控制指令對變頻器進行控制。結(jié)合實際情況，選用的是西門子公司生產(chǎn)的 S7-300 型 PLC控制器，該控制器性能良好，廣泛應用在工業(yè)領(lǐng)域。CPU 模塊是控制器中重要的構(gòu)成部分，需要完成數(shù)據(jù)的分析與運算，選用的 CPU 模塊型號為 CPU315F-2PN/DP，具有 515 kbit 的閃存和多個I/O 接口，有很好的拓展性。

3.2 網(wǎng)絡通訊模塊

從圖2中可以看出，動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)涉及到三個位置的通訊，分別為 PLC 控制器與上位機、傳 感器、變頻器之間的通訊。其中，PLC 控制器與上位機之間通過 PROFIBUS-DP 方式實現(xiàn)通訊，最快的傳輸速率可達到 1.5 Mbps/s，完全達到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需要，使用的網(wǎng)卡型號為 CP5611。PLC控制器與變頻器、各傳感器之間通過 OPC 通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。此通訊方式適用于不同硬件之間通訊，打破不同廠商所生產(chǎn)硬件之間的通訊壁壘，比較適合在本調(diào)控系統(tǒng)中使用[2]。

4 應用效果分析

4.1 速度調(diào)節(jié)試驗

將上述礦用帶式輸送機運行過程動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)運用到煤礦工程實踐中，對其調(diào)速性能進行了測試。此次試驗中共對帶式輸送機進行了三次調(diào)速試驗，對調(diào)速過程中輸送帶的運行速度及加速度進行監(jiān)測，所得試驗結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 帶式輸送機調(diào)控時速演變圖

由圖3、4可知，前兩次為加速調(diào)整，第3次為減速調(diào)整。三次調(diào)整均在第t時刻開始改變速度，約5 s后速度基本調(diào)整完成，再過5 s速度達到穩(wěn)定狀態(tài)。整個調(diào)速過程持續(xù)了10 s時間，實現(xiàn)了速度的緩慢變化。理論和實踐經(jīng)驗表明，帶式輸送機調(diào)整速度時，輸送帶加速度需要控制在 0.3 m/s2范圍內(nèi)，如超過該值容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。通過對三次調(diào)速過程中輸送帶的加速度進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)均沒有超過 0.3 m/s2，達到了預期效果[3]。

圖4 帶式輸送機調(diào)速加速度最大值

4.2 實踐應用分析

完成相關(guān)試驗工作后系統(tǒng)正式服役。為分析系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和運行工況，文中對運行工況進行監(jiān)測分析，經(jīng)過優(yōu)化后帶式輸送機能夠?qū)崿F(xiàn)帶速的變頻調(diào)節(jié)，節(jié)約電能約45%，平均每臺電機可節(jié)省功率 2.4 kW 左右，工作日按300 d計算，則礦井每年可節(jié)省的電費為 300×24 h×2.4×1=1.728萬元(電費按照1元 /kW·h)計算，節(jié)能效果理想。

監(jiān)測期間系統(tǒng)運行穩(wěn)定、良好，可以根據(jù)實際情況對輸送帶運行速度進行調(diào)整，達到了節(jié)能減排的效果，且在調(diào)整過程中設備整體運行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)打滑和斷帶等故障問題，為帶式輸送機的可靠穩(wěn)定運行奠定了良好的基礎(chǔ)。綜上所述，此設計的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)在帶式輸送機中的應用達到了預期效果，獲得了企業(yè)技術(shù)人員的一致好評，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益值得進一步推廣。

5 結(jié) 語

礦用帶式輸送機進行變頻調(diào)速控制是帶式輸送機未來發(fā)展的必然趨勢，但很多調(diào)控系統(tǒng)在設計階段沒有考慮輸送帶速度變化時可能產(chǎn)生的打滑和斷帶問題，因此系統(tǒng)在運行時存在不穩(wěn)定性的風險。文中設計的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)對調(diào)速過程中輸送帶的加速度進行嚴格控制，以此作為約束條件，要求輸送帶的加速度不得超過 0.3 m/s2。經(jīng)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)調(diào)控系統(tǒng)運行良好，調(diào)試過程中沒有出現(xiàn)明顯的打滑問題和斷帶現(xiàn)象，運行穩(wěn)定性得到了很好的保障和提升。