聶永朝 常會(huì)霞

(寧夏天地西北煤機(jī)有限公司，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，753000)

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帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

聶永朝 常會(huì)霞

(寧夏天地西北煤機(jī)有限公司，寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，753000)

分析了帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度曲線的選取與張力設(shè)定，給出了帶式輸送機(jī)在起動(dòng)過程中較為理想的加速度曲線，介紹了模糊控制理論在帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制中的可行性研究，闡述了帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了自動(dòng)控制系統(tǒng)模糊控制器的仿真與調(diào)試。經(jīng)過仿真與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較表明，自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)及運(yùn)行過程中根據(jù)運(yùn)量進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的目的，對速度及電流起到了平滑作用，還具有節(jié)能降耗的功能。

帶式輸送機(jī) 速度調(diào)節(jié) 模糊控制 節(jié)能降耗

目前，多數(shù)帶式輸送機(jī)廠家生產(chǎn)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)只是單純地控制其起、停，或是僅僅針對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)部件中的某一設(shè)備(如張緊、制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)單元、綜合保護(hù)裝置等)進(jìn)行監(jiān)測與控制，沒有對速度、張力和運(yùn)量等必要信息量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,因此帶式輸送機(jī)在起動(dòng)、制動(dòng)及運(yùn)行過程中常常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不平穩(wěn)甚至是抖動(dòng)的現(xiàn)象，帶速與運(yùn)量也沒有進(jìn)行合理有效地匹配，導(dǎo)致浪費(fèi)大量的電能。為了實(shí)現(xiàn)安全和高效生產(chǎn)，帶式輸送機(jī)控制裝置應(yīng)能解決好起動(dòng)加速度及速度調(diào)節(jié)的問題?；诖?，提出了一種新型的自動(dòng)控制裝置，并對它進(jìn)行研究與應(yīng)用，擬解決帶式輸送機(jī)起動(dòng)不平穩(wěn)和運(yùn)量與帶速合理匹配的問題。

1 帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度曲線的選取與張力設(shè)定

本文對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究的主要目的是為了能夠降低其在起動(dòng)時(shí)膠帶產(chǎn)生的動(dòng)張力，減少對機(jī)械的沖擊。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，雖然存在很多邊界條件都可以改變它的動(dòng)態(tài)特性，但是可供控制的參數(shù)卻極其有限，通過對帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率及拉緊力的研究分析后發(fā)現(xiàn)，改善整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的手段,目前僅有電機(jī)轉(zhuǎn)速和張緊力是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

1.1 帶式輸送機(jī)張緊力的設(shè)定

張緊系統(tǒng)是帶式輸送機(jī)系統(tǒng)正常工作中不可或缺的，張緊力使膠帶與滾筒之間產(chǎn)生足夠的摩擦牽引力，并確保膠帶有足夠的張緊力，以防在帶式輸送機(jī)起動(dòng)與運(yùn)行過程中發(fā)生打滑現(xiàn)象。本文選用自動(dòng)液壓拉緊裝置，此裝置可按系統(tǒng)要求自動(dòng)地對張力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改善帶式輸送機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)階段的動(dòng)態(tài)性能，保障膠帶在各個(gè)工況都具有最合理的張緊力。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將帶式輸送機(jī)在起動(dòng)階段時(shí)的松邊張力設(shè)定為額定張力的1.1～1.8倍，制動(dòng)過程的張緊力定為額定張緊力的0.9倍。

1.2 帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度曲線的比較分析與設(shè)定

理想的帶式輸送機(jī)起動(dòng)曲線應(yīng)能使其平穩(wěn)地起動(dòng)，最大限度地減小帶式輸送機(jī)起動(dòng)過程產(chǎn)生的慣性力和沖擊力，從而降低輸送機(jī)承受的動(dòng)載荷。如果不能解決帶式輸送機(jī)起動(dòng)階段速度的合理變化問題，起動(dòng)時(shí)間過短導(dǎo)致張力沒有傳遞到整條膠帶，達(dá)不到傳動(dòng)滾筒與膠帶正常傳動(dòng)時(shí)所需的張力比時(shí)，就會(huì)發(fā)生打滑故障。

為了提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，對4種較為典型的帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度曲線(三角形加速度、正弦加速度、等加速度及拋物線加速度)作了分析比較，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)出較為理想的帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度曲線，設(shè)t=60 s為起動(dòng)時(shí)間，ve=4 m/s為額定帶速，帶式輸送機(jī)4種加速度曲線及其速度曲線如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)4種加速度曲線及其速度曲線

通過對圖1分析比較后，可得出以下結(jié)論：在4種起動(dòng)加速度曲線中加速度幅值最大的是三角形加速度曲線，正弦加速度曲線和拋物線加速度曲線的值居中，等加速度曲線的值最小。但是在分別對其加速度值進(jìn)行微分，取得其沖擊曲線分析后發(fā)現(xiàn)，等加速度曲線的加速度變化率雖然為零，但它剛起動(dòng)就達(dá)到了它的最大值，所以實(shí)際上是最大的。三角形加速度的沖擊曲線最大值為4ve/t2是其中最小的，拋物線加速度曲線的值最大，為6ve/t2，帶式輸送機(jī)4種加速度曲線最大值的對比結(jié)果圖如圖2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)4種加速度曲線最大值的對比結(jié)果圖

在對實(shí)際起車控制過程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到帶式輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)加速度大小對張力的影響，本文在其起動(dòng)過程中增設(shè)了初加速階段與恒速運(yùn)行階段，這樣的目的是使張力在這一階段逐漸傳送到整個(gè)輸送帶上。經(jīng)過上述分析，本文選擇沖擊最小的三角形加速度曲線作為起動(dòng)過程中的初加速階段，然后延遲時(shí)間τ，再選擇正弦形加速度曲線進(jìn)行加速直至起動(dòng)完成，現(xiàn)設(shè)帶式輸送機(jī)的原起動(dòng)時(shí)間t=60 s； 加速度(三角形加速度)時(shí)間t1=10 s；初延遲段時(shí)間τ=10 s；延遲段帶速v1=0.4 m/s；額定帶速ve=4 m/s；則相應(yīng)的帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度和速度曲線如圖3所示。

圖3 帶式輸送機(jī)起動(dòng)加速度和其速度曲線

2 模糊控制理論在帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制中的可行性研究

帶式輸送機(jī)的基礎(chǔ)理論涉及剛體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析、帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)分析和監(jiān)測技術(shù)、壓陷阻力理論、均衡技術(shù)、軟起動(dòng)可控技術(shù)及可靠性理論等很多學(xué)科的內(nèi)容。在運(yùn)行過程中，很多因素都將引起帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性改變，在實(shí)際控制時(shí)很難全面地用數(shù)學(xué)方程提出。模糊控制方法可以很巧妙地避免上述原因引起的問題。選用各種類型的傳感器采集帶式輸送機(jī)的帶速、輸入頻率、膠帶張緊力、運(yùn)量、綜合保護(hù)裝置信號等有效參數(shù)，反饋給控制系統(tǒng)后，利用PLC模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化輸出，

調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的帶速及張緊裝置的張力，這樣不僅能夠解決帶式輸送機(jī)起動(dòng)階段速度和張力的合理變化問題，還可以在其運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)帶速，達(dá)到有煤快運(yùn)、煤少慢運(yùn)、無煤待機(jī)、防止壓煤的目標(biāo)，使帶式輸送機(jī)的安全性、可靠性以及輸送效率均大幅度提高。

根據(jù)帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的特性，為了有效地處理帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中速度和張力的合理配比問題，本文擬制定以下基于速度的模糊控制規(guī)則：

(1)當(dāng)輸入變量帶速誤差E及其變化率EC同號時(shí)，說明帶速正向不理想的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。如果此時(shí)輸入帶速誤差E較大，為了能快速地改變速度誤差變壞的趨勢和減小速度偏差，應(yīng)該實(shí)施強(qiáng)有力的控制，選取最大的F值輸出；如果此時(shí)輸入帶速誤差E較小，為了避免系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，應(yīng)采取相對一般的控制，用來改變速度誤差變壞的趨勢和減小速度偏差，可選取F的中間值；如果此時(shí)輸入帶速誤差E很小，為了繼續(xù)減少速度誤差值，輸出變量F應(yīng)取最小的值，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)當(dāng)輸入變量帶速誤差E及其變化率EC異號時(shí)，說明帶速正在向著理想的狀態(tài)變化。此時(shí)，若速度誤差E較大，采取相對一般的控制策略即可，為了減小速度誤差，取中間的F值輸出；如果此時(shí)輸入帶速誤差E較小，為避免產(chǎn)生震蕩，并以防調(diào)整過大，就應(yīng)實(shí)施較小或最小的控制來減小速度偏差。

根據(jù)上面規(guī)則的分析,可得出輸出變量F語言值，本文選擇中心平均法作為清晰化的方法，因?yàn)橹行钠骄ㄓ?jì)算簡單，運(yùn)算過程耗費(fèi)內(nèi)存小，而且還可確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，具有連續(xù)性。根據(jù)該方法計(jì)算出f的精確值為-0.75。由此可分別計(jì)算出F，形成的控制決策表見表1。

表1 F控制決策表

在自動(dòng)控制過程中，我們對實(shí)時(shí)監(jiān)測的膠帶速度誤差值e和速度變化率ec進(jìn)行模糊化后得到E和EC，然后在PLC上查詢根據(jù)中心值平均法計(jì)算出的控制決策表中F的值，最后根據(jù)仿真結(jié)果或現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對量化因子進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到理想的控制效果。

3 帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于帶式輸送機(jī)現(xiàn)場環(huán)境惡劣且干擾性強(qiáng)，因此，本文在設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)把可靠性作為基礎(chǔ)，本項(xiàng)目自動(dòng)控制系統(tǒng)采用以西門子S7-300型可編程控制器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，體系架構(gòu)分由監(jiān)控層、控制層、執(zhí)行層及設(shè)備層構(gòu)成，帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化，本文在設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)遵從6條原則：一是安全、可靠性原則；二是成熟和先進(jìn)性原則；三是規(guī)范性原則；四是開放性和標(biāo)準(zhǔn)化原則；五是可擴(kuò)展化原則；六是可管理性原則。

圖4 帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、操作臺(tái)、UPS電源柜、PLC控制柜(含S7-300PLC、隔離柵、交換機(jī)等)、高低壓開關(guān)柜、各類保護(hù)傳感器等組成，具體可歸納為檢測單元、決策單元、執(zhí)行單元，具有集控、手動(dòng)、自動(dòng)及檢修等多種工作方式，具備多種通訊接口及協(xié)議，可方便地實(shí)現(xiàn)人們在礦井調(diào)度中心對帶式輸送機(jī)進(jìn)行遙測、遙信、遙控。帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)檢測單元。檢測單元包括各類保護(hù)傳感器，用來檢測配電系統(tǒng)的電氣信號、制動(dòng)裝置、張緊裝置、變頻器的反饋及控制等信號，這一系列的信號均傳送至I/O或是功能模塊中。

(2)決策單元。決策單元是控制系統(tǒng)的核心，為了提高控制系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性，應(yīng)選擇穩(wěn)定可靠、運(yùn)算速度快的器件。它包含上位機(jī)、操作臺(tái)(按鈕、PLC分站)、PLC主站等，當(dāng)PLC接收到輸入的信號時(shí)，經(jīng)過邏輯分析運(yùn)算完成對張緊、制動(dòng)、變頻、給煤機(jī)的起停及控制。上位工控計(jì)算機(jī)可顯示、打印、儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行曲線，還可實(shí)現(xiàn)對主斜井膠帶機(jī)聯(lián)鎖控制、單設(shè)備控制。

(3)執(zhí)行單元。執(zhí)行單元包括給煤機(jī)、變頻器、制動(dòng)、張緊、開關(guān)等裝置，當(dāng)它們接收到PLC發(fā)出的信號時(shí)，完成相應(yīng)的輸入輸出功能。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)程序應(yīng)包括對帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)裝置的監(jiān)測、張緊的控制監(jiān)測、制動(dòng)器的控制監(jiān)測、速度調(diào)節(jié)控制等功能。其中帶式輸送機(jī)速度調(diào)節(jié)控制是針對高壓變頻器設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)手段主要通過檢測帶速信號，按照程序進(jìn)行數(shù)字與邏輯的運(yùn)算，最后輸出頻率控制信號給主變頻器。為了能夠?qū)崟r(shí)完整地采集帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)，并進(jìn)行快速地邏輯運(yùn)算輸出，必要的編程軟件是不可或缺的。西門子公司的STEP 7與WINCC作為SIMATIC工業(yè)軟件的一部分，可方便地實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)化產(chǎn)品的編程、監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置及離線仿真等功能。

上位機(jī)作為帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)測與控制的中心，無論是在硬件和還是在軟件上都要保證它的可靠性，帶式輸送機(jī)在起動(dòng)前應(yīng)該先查詢系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的備妥信號(如變頻器備妥、綜保自檢正常、張力正常等信號)是否滿足起車要求，帶式輸送機(jī)再按照要求的曲線起動(dòng)直至達(dá)到額定帶速。帶式輸送機(jī)起車流程如圖6所示。

圖6 帶式輸送機(jī)起車過程流程圖

為了使帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)合理有效地調(diào)節(jié)帶速，達(dá)到有煤快運(yùn)、煤少慢運(yùn)、無煤待機(jī)、防止壓煤的節(jié)能減排目標(biāo)，本文按照驅(qū)動(dòng)功率的分析及對速度模糊控制器的設(shè)計(jì)，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程可按圖7所示的流程進(jìn)行控制，并在其正常運(yùn)行時(shí)，將系統(tǒng)的張緊力調(diào)整至額定張力，功率平衡由變頻調(diào)速裝置自身配備的主-從控制器實(shí)現(xiàn)。

圖7 帶式輸送機(jī)運(yùn)行階段控制流程圖

4 帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)模糊控制器的仿真與調(diào)試

當(dāng)前設(shè)定的參數(shù)均為帶式輸送機(jī)的額定設(shè)計(jì)值(電壓10 kV、電機(jī)功率900 kW、速度4 m/s、運(yùn)量1800 t/h)，一般控制系統(tǒng)以及基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶速與電流曲線仿真結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 一般控制系統(tǒng)帶速與電流曲線圖

由圖8和圖9對比分析可知，基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶速與電流曲線相比一般控制系統(tǒng)帶速與電流曲線較為平滑，幾乎沒有突變，表明帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中較為平穩(wěn)。

當(dāng)運(yùn)量降低至1200 t/h時(shí), 兩種控制方式的帶速及電流仿真結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 運(yùn)量降低時(shí)一般控制系統(tǒng)帶速與電流曲線圖

圖11 運(yùn)量降低時(shí)基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶速與電流曲線圖

由圖10和圖11對比分析可知，一般控制系統(tǒng)沒有根據(jù)運(yùn)量相應(yīng)地調(diào)節(jié)帶速，而且也沒有對帶速進(jìn)行模糊控制調(diào)節(jié)，電流與額定運(yùn)量時(shí)相比降低較少。而基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)及時(shí)地根據(jù)運(yùn)量降低了帶速，電流下降較多，曲線較為平滑。

為了論證本文理論研究的正確性，進(jìn)一步推廣應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了為期2 d的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，通過對4臺(tái)給煤機(jī)的調(diào)節(jié)，將運(yùn)量分別控制為1800 t/h、1600 t/h、1200 t/h、1000 t/h以及800 t/h。分別對一般控制系統(tǒng)和本文提出的基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，并在開關(guān)柜上讀取有功電度。將以前不進(jìn)行運(yùn)量與帶速匹配的控制系統(tǒng)定義為A型，本文的控制系統(tǒng)定義為B型，得出的結(jié)果見表2。

表2 兩種控制系統(tǒng)不同運(yùn)量下的耗能情況

對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，A型控制系統(tǒng)在運(yùn)量降低時(shí)，雖然用電量有所減少，但是對于煤礦這樣一個(gè)耗能大戶來講極為不明顯。B型控制方法耗電量明顯降低，在今后的日常應(yīng)用中減少的電費(fèi)較為可觀。由表2中可以看出，在額定運(yùn)量時(shí)，電機(jī)功率并沒有達(dá)到額定功率，這是由于帶式輸送機(jī)在機(jī)械選型計(jì)算時(shí)為預(yù)防用戶超載生產(chǎn)，所以電機(jī)功率選的偏大，從而造成電機(jī)空載損耗也比較大，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中很難避免。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，現(xiàn)假設(shè)煤礦主井的運(yùn)量為1200 t/h，工作時(shí)間為8 h/d，使用本文提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)，跟隨運(yùn)量調(diào)節(jié)帶速并且進(jìn)行速度模糊調(diào)節(jié)，年耗費(fèi)電能約為4.20×106 kWh，而用一般控制方法時(shí)年用電量約為4.76×106 kWh，節(jié)能效率可達(dá)到11%以上。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有非常明顯的節(jié)能效果。

5 結(jié)語

基于速度模糊控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)較好地解決了帶式輸送機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)和速度調(diào)節(jié)技術(shù)等問題，已成功應(yīng)用于寧夏銀星煤業(yè)有限公司銀星一井主斜井帶式輸送機(jī)項(xiàng)目中，并于2015年6月正式投入使用。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，帶式輸送機(jī)在起動(dòng)過程中平穩(wěn)無顯著沖擊，而且可跟隨給煤機(jī)的運(yùn)量進(jìn)行自動(dòng)平滑地調(diào)速，從而節(jié)省了電能消耗，達(dá)到了預(yù)期的效果，對今后帶式輸送機(jī)的控制有一定的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Research and application on automatic control system of belt conveyor

Nie Yongchao, Chang Huixia

(Ningxia Tiandi Northwest Coal Machine Limited Company, Shizuishan, Ningxia 753000, China)

According to the analysis of selection and tension setting of starting acceleration curve of belt conveyor, an ideal acceleration curve of belt conveyor at starting process was achieved, and feasibility research on fuzzy control theory for belt conveyor's automatic control was introduced, the design of automatic control system of belt conveyor was elaborated, and then simulating and debugging of automatic control system's fuzzy controller were carried out. Through analysis and comparison of simulation and field test data, automatic control system realized belt conveyor's automatic speed adjustment according to transportation volume in the processes of smooth starting and operation and made the speed and electricity steady, and the system had energy-saving and cost-reducing function.

belt conveyer, speed adjustment, fuzzy control, energy-saving and cost-reducing

聶永朝，常會(huì)霞. 帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].中國煤炭，2017，43(5)：84-89，98. Nie Yongchao，Chang Huixia. Research and application on automatic control system of belt conveyor [J].China Coal，2017，43(5)：84-89，98.

TD528.1

A

聶永朝(1981-)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，現(xiàn)任職于寧夏天地西北煤機(jī)有限公司，主要從事帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)。