煤礦用帶式輸送機(jī)皮帶張緊智能控制設(shè)計(jì)

馮書文

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤礦，山西 晉城 048400）

煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、帶速可調(diào)、檢修方便，廣泛應(yīng)用于綜掘、綜采工作面的煤料、物料以及設(shè)備的運(yùn)輸。 張緊裝置是帶式輸送機(jī)的核心組件，為皮帶提供相適應(yīng)的張緊力，防止皮帶過松或者過緊，保證帶式輸送機(jī)連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。 隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離、 運(yùn)量以及功率的不斷增加，負(fù)載變化范圍以及頻率也不斷增大，導(dǎo)致張緊裝置的張緊力以及行程的變化范圍擴(kuò)大[1]。 因此，研究帶式輸送機(jī)張緊力與負(fù)載自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案成為亟需解決的問題。 楊興廷，曹劍，李靜靜設(shè)計(jì)了與帶式輸送機(jī)同步運(yùn)行的張緊裝置[2]，通過模糊PID控制算法實(shí)時(shí)計(jì)算皮帶張緊力；郭耀華提出利用傳感器技術(shù)檢測帶式輸送機(jī)彈簧變形量，進(jìn)而計(jì)算所需要的張緊力[3]；馬曉林通過建立帶式輸送機(jī)張緊裝置數(shù)學(xué)模型，研究運(yùn)行過程中張緊力的變化規(guī)律，指導(dǎo)張緊裝置的安裝位置和參數(shù)設(shè)置[4]。

但是，目前為止，帶式輸送機(jī)張緊裝置仍存在下列問題： ①張緊力的控制精度和響應(yīng)速度無法滿足帶式輸送機(jī)自適應(yīng)控制需求；②張緊力無法隨負(fù)載變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 因此，本文以煤礦用帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，在預(yù)測帶式輸送機(jī)負(fù)載變化趨勢的基礎(chǔ)上，根據(jù)張緊力需求進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方案設(shè)計(jì)，達(dá)到對(duì)張緊裝置智能控制的目的。

1 張緊控制方案設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)張緊裝置包括變頻防爆電動(dòng)機(jī)、游動(dòng)小車、滑輪組、鋼絲繩、張緊力傳感器等。 張緊過程中，系統(tǒng)上電并啟動(dòng)張緊裝置，由防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑輪組、 鋼絲繩拉動(dòng)張緊滾筒實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)皮帶張緊。 防爆電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向影響張緊力大小，變頻器輸出頻率影響張緊力調(diào)節(jié)速度快慢。張緊力傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測張緊力大小，張緊力控制系統(tǒng)通過張緊力傳感器監(jiān)測數(shù)值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)張緊力，直至滿足帶式輸送機(jī)皮帶張緊需求。

帶式輸送機(jī)張緊控制方案原則： ①需保證皮帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間不打滑；②保證皮帶沿線各點(diǎn)的懸垂度適中，避免出現(xiàn)散料故障；③能夠補(bǔ)償皮帶的塑性伸長以及彈性伸長；④能夠?yàn)閹捷斔蜋C(jī)檢修故障提供必要的行程；⑤張緊力和張緊行程滿足帶式輸送機(jī)長距離、大運(yùn)量、高功率運(yùn)行要求；⑥具備突發(fā)、緊急情況時(shí)的報(bào)警和緊急制動(dòng)需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)張緊控制方案要點(diǎn)，提出帶式輸送機(jī)張緊方案硬件設(shè)計(jì)，如圖1 所示。 張緊裝置安裝于帶式輸送機(jī)機(jī)身，并在張緊裝置本體安裝壓力傳感器、溫度傳感器、張緊力傳感器、限位開關(guān)、電流傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)測張緊裝置運(yùn)行狀態(tài)，并將上述傳感器輸出信號(hào)傳送至PLC控制器系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)接收到傳感器信號(hào)后首先完成A/D轉(zhuǎn)換以及軟件濾波，并完成邏輯處理，當(dāng)壓力值、電流值、溫度值、限位開關(guān)超限后故障報(bào)警并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。 PLC控制器實(shí)時(shí)檢測張緊力傳感器值，當(dāng)檢測張緊力值與設(shè)定張緊力的差值超限后，控制器調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，驅(qū)動(dòng)絞車電動(dòng)機(jī)加速、減速，進(jìn)而完成帶式輸送機(jī)皮帶松帶、緊帶動(dòng)作，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)張緊力。PLC控制器還需將張緊裝置運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控與調(diào)度中心，以便工作人員及時(shí)掌握張緊裝置運(yùn)行狀態(tài)以及故障信息。

圖1 煤礦用帶式輸送機(jī)張緊方案

帶式輸送機(jī)所有控制設(shè)備安裝于張緊裝置電氣柜中，包括PLC控制器、變頻器、傳感器、繼電器、通信隔離柵、斷路器等。

帶式輸送機(jī)張緊裝置電氣柜中的PLC控制器選用的是羅克韋爾的AB 1769 CPU，型號(hào)為1769-L33 ERM，具有運(yùn)行頻率高、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性好且可實(shí)現(xiàn)分布式I/O 模塊擴(kuò)展，根據(jù)張緊裝置控制需求，擴(kuò)展1769-PA2 電源，1769-IF4XOF2 模擬量模塊，1769-OB 16 數(shù)字量輸出模塊，1769-IQ數(shù)字量輸入模塊以及1769-ECR終端蓋板[5-6]。 變頻器選用的是羅克韋爾的AB PF753 型，基于Logix軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)變頻器組態(tài)，完成參數(shù)配置以及系統(tǒng)更新。 選用的傳感器包括TJL-7 張緊力傳感器，量程為0～150 kN；HSTL-103F溫度傳感器，量程為0～100℃；HSTL-800 壓力傳感器，量程為0～20 MPa；LX19-001 限位開關(guān)；MIK-DJI-V1-B1電流變送器，量程為0～100 A[7-8]。 上述傳感器的輸出信號(hào)均為4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以及硬件濾波后傳送至PLC控制器。煤礦用帶式輸送機(jī)張緊控制方案PLC I/O地址分配如表1 所示，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)該地址分配表進(jìn)行軟件編程。

表1 煤礦用帶式輸送機(jī)張緊控制方案PLC I/O 地址分配

3 軟件設(shè)計(jì)

在分析并確定煤礦用帶式輸送機(jī)在不同狀態(tài)下所需張緊力為目標(biāo)張緊力，PLC控制器根據(jù)張緊力傳感器實(shí)際檢測值與目標(biāo)張緊力差值為輸入?yún)?shù)進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。 張緊力調(diào)節(jié)過程中，張緊力值大小與絞車電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向相關(guān)，張緊力調(diào)節(jié)速度與絞車電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率相關(guān)。 當(dāng)張緊力差值越大時(shí)，絞車電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率越大；當(dāng)張緊力差值越小時(shí)，絞車電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率越??；當(dāng)張緊力差值在設(shè)定范圍之內(nèi)時(shí)，絞車電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

在PLC控制中實(shí)現(xiàn)張緊力PID調(diào)節(jié)方案，邏輯框圖如圖2 所示，其中FZS為張緊力預(yù)設(shè)值，F(xiàn)ZC為張緊力傳感器實(shí)測值，ΔF為張緊力差值，且可表示為ΔF=FZC-FZS；絞車電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率為f，與ΔF的關(guān)系可表示為f∝ΔF。 張緊絞車電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度可表示為式（1）:

圖2 煤礦用帶式輸送機(jī)張緊自適應(yīng)控制方案

式中：S 為絞車電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，為定值；P 為絞車電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，為定值；i 為減速比，為定值，n 為絞車電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

4 應(yīng)用分析

以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤礦33023 綜放工作面的帶式輸送機(jī)為試驗(yàn)基礎(chǔ)，搭建張緊裝置試驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建張緊系統(tǒng)硬件組態(tài)完成工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2021年1月至2021年6月。 帶式輸送機(jī)張緊裝置設(shè)計(jì)核心參數(shù)如表2 所示。 根據(jù)對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)下帶式輸送機(jī)所需的運(yùn)行電流進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)電流預(yù)測結(jié)果以及張緊力傳感器反饋值對(duì)張緊力進(jìn)行PID自適應(yīng)調(diào)控。帶式輸送機(jī)張緊力設(shè)定值為70 kN，允許的張緊力誤差范圍為3 kN。 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)絞車電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測精度可達(dá)92.1%，能夠較好并實(shí)時(shí)反映負(fù)載變化。 利用PID張緊力調(diào)節(jié)方案，調(diào)整時(shí)間與傳統(tǒng)控制方案相比下降了約2.82 s，超調(diào)量降低了2.02%，穩(wěn)態(tài)誤差下降了0.52 kN，有效降低了張緊力振幅，提高了張緊力控制精度。

表2 帶式輸送機(jī)張緊裝置設(shè)計(jì)參數(shù)信息

5 結(jié)論

1）帶式輸送機(jī)張緊裝置采用負(fù)載電流預(yù)測方案，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)張緊力預(yù)設(shè)值，以張緊力傳感器實(shí)測值與預(yù)設(shè)值的差值為輸入信號(hào)，采用PID自適應(yīng)控制方案對(duì)張緊力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。 預(yù)測精度可達(dá)92.1%，調(diào)節(jié)時(shí)間可下降2.82s，穩(wěn)態(tài)誤差下降了0.52 kN，實(shí)現(xiàn)了張緊力的穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、高效自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2）在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤礦33023 綜放工作面實(shí)際應(yīng)用情況表明，該張緊控制方案運(yùn)行穩(wěn)定，能夠保證帶式輸送機(jī)連續(xù)、高效運(yùn)行。

3）帶式輸送機(jī)張緊裝置可向智能化、信息化方向發(fā)展。