桑宏琪

(西山煤電有限公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

在煤礦井下，目前長距離、大功率的帶式輸送機(jī)大多由多個電動機(jī)驅(qū)動，據(jù)國內(nèi)外資料介紹,單機(jī)運(yùn)距已達(dá)30.4 km,多機(jī)串聯(lián)運(yùn)距最長達(dá)208 m,但在實(shí)際運(yùn)行過程中，其多電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)尚不能完全實(shí)現(xiàn)功率的平均分配，主要是輸送帶的張力，在某一臺電動機(jī)出現(xiàn)問題，比如發(fā)生死機(jī)，則造成電動機(jī)偶合規(guī)律的變化，即負(fù)載分擔(dān)不均勻[1-2]。本文針對該問題,分析研究了帶式輸送機(jī)多電動機(jī)驅(qū)動的功率平衡問題，提出實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)多電動機(jī)驅(qū)動功率平衡的控制方案。依據(jù)模糊控制原理,選取了模糊控制的輸入量、輸出量,并對輸入量進(jìn)行模糊化，最后給出了采用實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)功率平衡控制的算法框圖。

1 帶式輸送機(jī)啟動特性分析及性能指標(biāo)

1.1 啟動特性分析

考慮到輸送帶本身的特性和電動機(jī)的工作性質(zhì)，其長距離、大功率的帶式輸送機(jī)啟動時間較長，啟動過程中輸送帶由靜止變?yōu)閯蛩龠\(yùn)行，中間會產(chǎn)生一定的加速度，加速度太大時，輸送帶上的受力便越大，容易造成輸送帶的斷裂或者磨損，甚至造成輸送帶的打滑而不能正常啟動，這樣，需要通過對電動機(jī)電流和輸送帶張力的控制，使輸送帶速度限在額定的時間內(nèi)達(dá)到額定的速度，最終實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動。這種啟動方法又被稱為“軟啟動”。

1.2 啟動性能指標(biāo)

針對煤礦井下的特殊環(huán)境，帶式輸送機(jī)的啟動過程必須滿足以下的性能指標(biāo)：

1)輸送機(jī)可以按照啟動速度曲線平穩(wěn)啟動,并能實(shí)現(xiàn)滿載啟動。

2)輸送帶啟動加速度值≤0.3 m/s2,輸送帶啟動張力在合理范圍內(nèi)。

3)輸送帶的多臺電動機(jī)具有功率平衡的能力。

4)當(dāng)多臺電動機(jī)驅(qū)動時,電動機(jī)可以順序啟動。

5)具有過載保護(hù)功能。

6)啟動電流盡可能小，減小對外部電網(wǎng)產(chǎn)生電流沖擊。

7)當(dāng)輸送帶供電系統(tǒng)出現(xiàn)短時間的斷電時，電動機(jī)保持慣性，繼續(xù)工作[3]。

2 功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功率平衡系統(tǒng)控制方法

在輸送帶的軟啟動過程中，電動機(jī)按照事先設(shè)定的輸出功率，其電動機(jī)功率基本保持平衡，在不出現(xiàn)電動機(jī)停機(jī)的情況下，輸送帶上各臺電動機(jī)的負(fù)載基本一致，不需要考慮功率平衡，但當(dāng)某一臺電動機(jī)意外停機(jī)，則應(yīng)該停止啟動。本文設(shè)計(jì)的功率平衡控制系統(tǒng)，主要就是針對輸送帶運(yùn)行過程中，輸送帶系統(tǒng)進(jìn)入工況，投入輸送帶功率平衡控制。通過采集電動機(jī)的電流和輸送帶的速度，對電動機(jī)相應(yīng)的調(diào)速型液力偶合器的位置進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率，達(dá)到了功率平衡的目的。

2.2 功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用PLC控制，電流互感器采集交流電動機(jī)的電流，將電流值反饋給PLC，作為對電動機(jī)功率的判斷依據(jù)，速度傳感器采集帶式輸送機(jī)的速度，PLC再將采集的電流和速度數(shù)據(jù)添加到實(shí)現(xiàn)編寫的算法中，通過步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)對勺桿的控制，實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的減速控制。

圖1 功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 功率平衡控制策略

帶式輸送機(jī)功率平衡的控制參考量是電動機(jī)電流和轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)連接勺桿的位置，實(shí)現(xiàn)其功率的平衡控制。在電動機(jī)啟動之前，勺桿的位置進(jìn)行一次清零，輸送帶進(jìn)入正常工作模式以后，需要實(shí)時監(jiān)測輸送帶的速度、加速度、電流，根據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設(shè)定值的比較，調(diào)節(jié)勺桿位置和開度?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

圖2 控制流程

2.4 液晶顯示設(shè)計(jì)

為了增加系統(tǒng)的人機(jī)交互性，在系統(tǒng)中加入液晶顯示屏，其作用是把采集的電動機(jī)溫度、輸送帶的壓力和速度直觀地顯示出來，以方便工作人員的巡查。同時，其系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,顯示屏上還可以顯示故障部位或器件，減少排除故障的時間。

液晶屏選型為12864顯示屏，可以進(jìn)行全中文的實(shí)時顯示，最多可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，增加帶式輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)參數(shù)的可讀性，巡視人員只要根據(jù)顯示屏的提示信息進(jìn)行相關(guān)操作，可對電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)或現(xiàn)場控制。液晶顯示屏的硬件電路原理圖如圖3所示。

圖3 12864液晶顯示屏硬件電路

3 模糊控制方法

3.1 模糊控制原理

在煤礦帶式輸送機(jī)的工作過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種負(fù)載變動，該變動存在著非常大的不確定性。對于有些瞬時變動，功率平衡系統(tǒng)并不能做出準(zhǔn)確預(yù)測，反而增加了功率平衡控制的難度。因此，需要引入模糊控制的方法，即在控制過程中，根據(jù)輸出與設(shè)定值的偏差及變化的速度，建立與控制量的模糊關(guān)系,使其控制系統(tǒng)更加人性化。主要是功率平衡控制傳感器檢測的速度或電流信號送入微機(jī)裝置，在微機(jī)程序中加入模糊控制程序。電動機(jī)的功率計(jì)算公式為：

(1)

式中：U為額定電壓；I為額定電流；η為效率； cosφ為功率因數(shù)。運(yùn)行中，U、η、φ為定值，電流的大小可以表征功率的大小。

3.2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的重要組成部分，在模糊系統(tǒng)中，主要是通過計(jì)算機(jī)的硬件和軟件結(jié)合工作實(shí)現(xiàn)控制算法的。模糊控制器主要由輸入定標(biāo)、輸出定標(biāo)、模糊化、模糊決策和模糊判決(解模糊)等部分組成[4-6]。模糊化的過程使控制器所測得的參考量與左側(cè)信號一致，這一步不損失任何信息。模糊決策過程由一推理機(jī)來實(shí)現(xiàn)：該推理機(jī)檢查每條規(guī)則的匹配程度,通過聚集各個規(guī)則的加權(quán)輸出，產(chǎn)生一個輸出的概率分布情況，模糊判決把這一概率分布?xì)w納于一點(diǎn),經(jīng)過一次量綱的定標(biāo)，控制驅(qū)動器的驅(qū)動過程。

模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該控制器的組成部分主要包括：知識庫、模糊化接口、推理機(jī)和模糊判決的接口。知識庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫2個部分，數(shù)據(jù)庫包含尺度變化因子、變量隸屬度函數(shù)、模糊空間分級等參數(shù)；規(guī)則庫是根據(jù)控制專家的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)建立起來的模糊推理規(guī)則集合，包含一系列控制鉆夾的控制策略。模糊化接口將設(shè)定輸入信息和傳感器的電流參數(shù)、輸送帶速度參數(shù)進(jìn)行模糊化。模糊控制系統(tǒng)的核心是推理機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，根據(jù)模糊控制規(guī)則和模糊輸入量的值,推理求解模糊關(guān)系方程。模糊判決接口將模糊量轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)中可以利用的控制量。

圖4 模糊控制器系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文針對煤礦井下輸送帶多臺電動機(jī)驅(qū)動的功率不平衡問題，對多電動機(jī)功率平衡系統(tǒng)進(jìn)行了研究?？紤]帶式輸送機(jī)和電動機(jī)的工作特性，在輸送帶啟動過程中采用軟啟動的方法，當(dāng)帶式輸送機(jī)進(jìn)入工況運(yùn)行后，投入輸送帶功率平衡控制。通過采集電動機(jī)的電流和輸送帶的速度，對電動機(jī)相應(yīng)的調(diào)速型液力偶合器勺桿位置進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)其電動機(jī)的輸出功率，達(dá)到功率平衡的目的。同時，設(shè)計(jì)液晶顯示電路，增加系統(tǒng)交互性。設(shè)計(jì)功率平衡系統(tǒng)的控制方法采用模糊控制，以輸送帶的速度和電動機(jī)的電流為控制量，經(jīng)過模糊控制器的處理，輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)功率平衡控制。