礦用帶式輸送機(jī)皮帶張緊智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仇書文

（潞安化工集團(tuán)常村煤礦，山西長(zhǎng)治 046102）

輸送機(jī)作為井下煤礦中最為重要的傳送裝置，發(fā)揮著重要的作用，承擔(dān)著綜合挖掘中物料、設(shè)備的運(yùn)輸任務(wù)，其具有較高的穩(wěn)定性，同時(shí)該設(shè)備擁有維修簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈活等特性，因此得到了較為廣泛的運(yùn)用。輸送機(jī)類型較多，應(yīng)用最多的類型則是帶式輸送機(jī)。該輸送機(jī)最為關(guān)鍵的組成部分則是張緊裝置，該裝置可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的張緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而保障皮帶的松緊度處在合適的范圍內(nèi)，防止因過(guò)緊或過(guò)松而出現(xiàn)輸送問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，隨著輸送距離及張緊力的不斷變化，其設(shè)備的輸送負(fù)載也隨之變化，因此，該輸送機(jī)的張緊力與設(shè)備負(fù)載之間的關(guān)系成為了研究的重要領(lǐng)域。我國(guó)的研究學(xué)者對(duì)其進(jìn)行深入探索，楊興廷、曹劍[1]等人重點(diǎn)研究了張緊力的控制，通過(guò)PID 算法計(jì)算出輸送設(shè)備的張緊力，為設(shè)計(jì)同步運(yùn)行的張緊裝置提供了支持。而郭耀華[2]則重點(diǎn)研究了設(shè)備的彈性形變，利用檢測(cè)裝置測(cè)量彈簧形變，進(jìn)而得出張緊力。雖然輸送機(jī)具有較多的優(yōu)勢(shì)，但是也存在以下缺陷：①設(shè)備的張緊力無(wú)法與其實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，其控制效果較差，達(dá)不到較高的精度及靈活度，無(wú)法滿足需求。②負(fù)載同張緊力之間無(wú)法協(xié)同，不能根據(jù)需求自主調(diào)節(jié)[1]。因此，為了解決上述的弊端，本文則分析了帶式輸送機(jī)的負(fù)載變化情況，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的張緊裝置，使其需求能夠符合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

1 張緊控制方案設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的張緊裝置組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其大致可分為以下幾部分，包含了電動(dòng)機(jī)、滑輪組、張力傳感器等。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)會(huì)控制滑輪組及鋼絲繩，進(jìn)而拉緊滾筒，使皮帶張緊。另外，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向同張緊力有一定關(guān)系，而傳感器則能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)張力，張力控制系統(tǒng)則可以通過(guò)傳感器的張力反饋進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，使其符合當(dāng)前的輸送標(biāo)準(zhǔn)[1]。

帶式輸送機(jī)張緊控制方案原則：①皮帶與滾筒之間需要緊密配合，兩者之間不能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；②系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，皮帶的狀態(tài)要保持好，懸垂度符合標(biāo)準(zhǔn)，禁止散料；③皮帶的塑性及彈性伸長(zhǎng)能夠得到較好的補(bǔ)充；④可為輸送機(jī)故障的檢測(cè)提供行程；⑤張緊力與輸送機(jī)運(yùn)輸距離及功率相適應(yīng)；⑥具備良好的制動(dòng)機(jī)制，可面對(duì)突發(fā)情況，同時(shí)，也需要擁有自動(dòng)報(bào)警功能，保障運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

2 硬件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)需要滿足一定的需求，設(shè)計(jì)方案如圖1所示，下面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。輸送機(jī)機(jī)身會(huì)安裝張緊設(shè)備，該設(shè)備內(nèi)置了各類壓力、溫度及張緊力傳感器，可實(shí)時(shí)檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將檢查結(jié)果進(jìn)行上傳，反饋給PLC控制器，而該控制器收到的信息需要經(jīng)過(guò)處理才能夠使用，一般的處理包括A/D 轉(zhuǎn)換及濾波。當(dāng)控制器接受到處理后的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將壓力、溫度及電流等值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，一旦超過(guò)設(shè)定值則會(huì)發(fā)生報(bào)警，同時(shí)會(huì)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。同時(shí)，該控制器還可以對(duì)當(dāng)前的張緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式同上述方式一致，當(dāng)張緊力的實(shí)際值與設(shè)定值差距較大時(shí)，變頻器則開始工作，控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制皮帶狀態(tài)，使其松開或者拉緊，調(diào)節(jié)其張緊力。同時(shí)該系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)記錄拉緊力數(shù)據(jù)，對(duì)將該數(shù)據(jù)上傳給調(diào)度中心，使其控制拉緊裝置的運(yùn)行狀態(tài)[1]。

圖1 煤礦用帶式輸送機(jī)張緊方案

一般情況下，輸送機(jī)的控制設(shè)備都會(huì)集中在電氣柜中，其內(nèi)部包含了PLC控制器、傳感器等一系列元件。

本輸送機(jī)系統(tǒng)的PLC 控制器也安裝在了電器柜中，其型號(hào)為1769-L33ERM，該款控制具有較好的性能，響應(yīng)速度較快，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)內(nèi)置了多個(gè)I/0 接口，可進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換。除此之外，該系統(tǒng)還包含了PA2 電源、模擬量模塊、數(shù)字量的輸入輸出模塊以及蓋板等。該系統(tǒng)的變頻器是基于Logix 軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的，型號(hào)為AB PF753，可自動(dòng)完成參數(shù)及系統(tǒng)更新。同時(shí)，輸送機(jī)包含了張緊力、壓力、溫度、電流傳感器，其型號(hào)分別為TJL-7、HSTL-103E、HSTL-800、MIK-DJI-V1-B1 等。傳感器的輸出為電流，其范圍大約在4～20mA，這些電流數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并上傳給PLC 控制器進(jìn)行處理，其具體的地址分配表見表1，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，可根據(jù)表1進(jìn)行編程[2]。

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)

帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于工作狀態(tài)不同，其張緊力的大小也不同，可將工作需要的張緊力作為目標(biāo)張緊力，目標(biāo)張緊力與實(shí)際張緊力的差值作為PLC控制器的輸入，控制器會(huì)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向與張緊力大小相關(guān)，而運(yùn)行頻率則代表了調(diào)節(jié)速度。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足以下規(guī)律，張緊力差值與電動(dòng)機(jī)頻率呈正比，也就是說(shuō)，張緊力差值越小，其運(yùn)行頻率越小，而當(dāng)張緊力不超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，其電動(dòng)機(jī)不會(huì)運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

本系統(tǒng)采用了PID 的控制方案，其具體的控制原理圖如圖2所示，可對(duì)用到的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中張緊力的設(shè)定值為FZS；實(shí)際值為FZC；兩者間的差值可用ΔF代表。同時(shí)，假設(shè)電動(dòng)機(jī)的頻率為f，而f與ΔF之間具有關(guān)系，其關(guān)系為f∝ΔF，下面公式則表示了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度與運(yùn)行頻率間的關(guān)系：

圖2 煤礦用帶式輸送機(jī)張緊自適應(yīng)控制方案

式中：s——相應(yīng)的絞車電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，為定值；

p——相應(yīng)的絞車電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，為定值；

τ——相應(yīng)的減速比，為定值；

n——相應(yīng)的絞車電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

4 應(yīng)用分析

本研究的研究對(duì)象為潞安化工集團(tuán)的輸送機(jī)系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)搭建了工業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)軟件及硬件共同實(shí)現(xiàn)其功能。實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)間為2022 年的1月，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為4個(gè)月。在該系統(tǒng)中，其核心設(shè)備的參數(shù)見表2，該系統(tǒng)可對(duì)不同情況下的輸送機(jī)電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合預(yù)測(cè)值與張緊力實(shí)時(shí)PID控制[3]。張緊力的設(shè)定值為70kN。本系統(tǒng)是基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，精度較好，靈活性強(qiáng)，可實(shí)時(shí)反映其負(fù)載情況，利用該方式對(duì)PID 張緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)要比傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式耗時(shí)更少，誤差更小，進(jìn)而增大了控制精度[3]。

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）輸送機(jī)張緊裝置使用了電流預(yù)測(cè)方案，可設(shè)置張緊力的預(yù)測(cè)值，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，通過(guò)傳感器測(cè)量的張緊力的實(shí)際值與目標(biāo)值的差值作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，利用PID進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，耗時(shí)較小，精度較大，保障了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

（2）本研究通過(guò)對(duì)潞安化工集團(tuán)的綜合平臺(tái)進(jìn)行了研究，表明了其控制方案的可行性，可使輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了工作效率。

（3）帶式輸送機(jī)張緊裝置發(fā)展方向具有多樣性，可向智能化方向進(jìn)行探索。