曾 飛，黃書偉，劉 欣,嚴(yán) 誠(chéng)

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430081)

0 引言

帶式輸送機(jī)是港口輸送系統(tǒng)的重要部分且是港口能源消耗最大的部件，若想降低港口能源消耗就必須對(duì)輸送系統(tǒng)的能效進(jìn)行控制。帶式輸送機(jī)通常恒速運(yùn)輸散料，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)輕載或空載情況，導(dǎo)致輸送機(jī)產(chǎn)生不必要的能耗。為了促進(jìn)綠色港口快速建成，研究帶式輸送機(jī)能效控制技術(shù)具有重大意義。

為降低輸送機(jī)系統(tǒng)能耗，國(guó)內(nèi)外相繼從輸送機(jī)硬件入手降低摩擦，如：改變輸送機(jī)托輥布置[1]、采用新型高分子材料制作輸送帶[2]等，但其改造、制作成本較高。為降低節(jié)能成本，采用減電機(jī)技術(shù)、電機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)、降電壓技術(shù)[3-5]，但啟動(dòng)過后輸送機(jī)仍會(huì)出現(xiàn)物料運(yùn)量與速度不匹配的狀態(tài)，降耗效果不明顯。為實(shí)現(xiàn)速度與運(yùn)量匹配，文獻(xiàn)[6]根據(jù)物料皮帶秤提供的物料運(yùn)載量預(yù)測(cè)最優(yōu)速度，結(jié)合PLC對(duì)輸送帶進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速控制，但文獻(xiàn)[7]從調(diào)整速度對(duì)各部件壽命影響分析認(rèn)為該方法調(diào)速過于頻繁，會(huì)降低電機(jī)及托輥軸承壽命。帶式輸送機(jī)系統(tǒng)耦合關(guān)系復(fù)雜，應(yīng)保證輸送系統(tǒng)能效最優(yōu)[8]。因帶式輸送機(jī)現(xiàn)有調(diào)速控制系統(tǒng)尚未充分考慮多參數(shù)對(duì)能效的影響，實(shí)際運(yùn)用中會(huì)產(chǎn)生誤判，需要人工預(yù)測(cè)并修正。為科學(xué)、直觀判斷能效是否最優(yōu)，監(jiān)測(cè)輸送系統(tǒng)能效參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)成為關(guān)鍵。文獻(xiàn)[9]基于Visual C++與MCGS對(duì)井下輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，文獻(xiàn)[10]基于組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了輸煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然具有實(shí)用性，但輸送機(jī)能效受物料流量、帶速等多參數(shù)影響。同時(shí)對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要監(jiān)測(cè)參數(shù)齊全、實(shí)時(shí)性高的系統(tǒng)來輔助能效控制。為實(shí)時(shí)、安全、有效實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)能效監(jiān)測(cè)和控制，開發(fā)了一種基于LabVIEW的帶式輸送機(jī)能效控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過光電編碼器、激光掃描儀、數(shù)據(jù)處理模組實(shí)現(xiàn)能耗參數(shù)的采集與處理，并以此結(jié)合能效模型和約束條件實(shí)現(xiàn)能效控制，同時(shí)方便管理者有效監(jiān)管能效控制情況，有助于提高碼頭的自動(dòng)化程度。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的帶式輸送機(jī)能效控制系統(tǒng)首先對(duì)影響帶式輸送機(jī)能效的主要因素(帶速、物料流截面積)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與傳輸，并由上位機(jī)處理數(shù)據(jù)得出物料運(yùn)量，再通過LabVIEW軟件監(jiān)控和MATLAB分析系統(tǒng)能效影響規(guī)律得出最優(yōu)速度，為后續(xù)的能耗控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

能效控制由PLC、變頻器和電機(jī)完成，PLC依據(jù)物料運(yùn)量區(qū)間實(shí)現(xiàn)速度分配，變頻器與電機(jī)執(zhí)行調(diào)速，變頻器與上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)(電流、電壓、電機(jī)溫度和功率)的傳輸。CAN總線將上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至管理終端，管理終端包含登錄界面、數(shù)據(jù)查詢、控制模塊、報(bào)警模塊，可方便管理者對(duì)能效控制情況的監(jiān)控與及時(shí)干預(yù)。帶式輸送機(jī)能效控制系統(tǒng)參數(shù)采集模塊包括帶速采集模塊、物料流截面積采集模塊。能效控制模塊包含上位機(jī)、PLC、變頻器、電機(jī)。

2 能效控制原理

(1)

式中：J為能效參數(shù)；ρ為物料密度；t0為采樣周期開始時(shí)間；t1為采樣周期結(jié)束的時(shí)間；s(t)為t時(shí)刻瞬時(shí)物料流截面積；q(t)為t時(shí)刻瞬時(shí)物料流量；v(t)為t時(shí)刻瞬時(shí)速度；p[q(t)，v(t)]為輸送帶消耗的瞬時(shí)功率[8]。

約束條件：

(1)根據(jù)動(dòng)張力波在輸送帶的振動(dòng)周期，需要對(duì)最小調(diào)速時(shí)間tamin進(jìn)行約束滿足輸送系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即調(diào)速過程中驅(qū)動(dòng)力矩從零增至所允許的最值時(shí)所需時(shí)間符合：

(2)

式中：tamin為調(diào)速過程中最小調(diào)速時(shí)間；L為輸送帶的長(zhǎng)度；c為張力波波動(dòng)速度。

(2)輸送帶速度在線性增加或減少的過程中，張力會(huì)急劇發(fā)生變化，可能會(huì)有撕裂風(fēng)險(xiǎn)。故調(diào)速過程中速度變化曲線應(yīng)滿足Harrison正弦變化[11],即調(diào)速過程中對(duì)速度的變化值有約束：

(3)

式中：Δv為調(diào)速差值的絕對(duì)值；ta為調(diào)速開始時(shí)間；tb為調(diào)速結(jié)束時(shí)間；e為正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的速度；T為電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。

將能效參數(shù)J結(jié)合約束條件求最大值，其解即最優(yōu)速度v*。

在進(jìn)行人工河道森林生態(tài)建設(shè)時(shí)，必須充分考慮河道防洪的基本要求，結(jié)合工程運(yùn)行特性，做好前期規(guī)劃，使規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)符合水利發(fā)展目標(biāo)和林業(yè)發(fā)展的總體要求，與國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展目標(biāo)相一致，追求生態(tài)效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和景觀效果的整體優(yōu)化，保證河道生態(tài)建設(shè)的有效實(shí)施。

電機(jī)速度的分配由PLC控制，其流程如下：輸送帶先以恒定速度運(yùn)行，其帶速、物料流量、物料運(yùn)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)上傳至上位機(jī)與PLC，當(dāng)物料運(yùn)量發(fā)生變化時(shí)，PLC根據(jù)物料運(yùn)量所在區(qū)間對(duì)速度進(jìn)行分配，其最優(yōu)速度由上位機(jī)計(jì)算，得到的結(jié)果通過變頻器反饋給電機(jī)，如此循環(huán)。其PLC調(diào)速流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 帶速測(cè)量裝置

帶速測(cè)量模塊包括光電編碼器、滾輪和NI采集卡，基于光電測(cè)速原理實(shí)現(xiàn)帶速測(cè)量。光電編碼器通過聯(lián)軸器與滾輪連接，滾輪緊貼輸送帶的下表面，光電編碼器會(huì)隨著輸送帶的運(yùn)行而轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生方波信號(hào)，所輸出的信號(hào)由NI采集卡接收并識(shí)別光電編碼器所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，并將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。帶速測(cè)量中，NI采集卡采用的型號(hào)為NI-USB 6210，光電編碼器選用E6B2-CW26C編碼器。假設(shè)在一定時(shí)間t，采集到旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)為m，光電編碼器的時(shí)鐘頻率為p，旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)軸的直徑為d，則輸送帶的帶速公式見式(4)，只要通過測(cè)量編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，即可測(cè)得輸送帶的運(yùn)行速度v。

(4)

3.2 物料流激光數(shù)據(jù)采集裝置

當(dāng)輸送帶上進(jìn)行送料工作時(shí)，為了精準(zhǔn)測(cè)量并采集物料的真實(shí)截面輪廓，使用研發(fā)的物料流激光采集裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)物料流截面積輪廓激光點(diǎn)云的采集，并能計(jì)算瞬時(shí)物料流截面積、流量。由激光采集裝置采集的物料流表面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和光電編碼器采集的帶速基于物料瞬時(shí)流量計(jì)算算法完成物料瞬時(shí)流量的計(jì)算[12]。裝置由激光掃描儀、恒壓電源、MOXA串口模塊、上位機(jī)組成。激光掃描儀安置在下料端旁距輸送帶上方高h(yuǎn)處，使得激光可垂直照射物料，所采集的物料截面積輪廓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送至上位機(jī)。上位機(jī)通過物料流量分析軟件計(jì)算物料流截面積、流量。其激光掃描儀型號(hào)為L(zhǎng)MS291-S05，掃描范圍可達(dá)180°，最小分辨率為0.25°，為其供電的電源需調(diào)至直流24 V。LMS291-S05型掃描儀為多開關(guān)輸出，配有RS485和Ethernet通訊串口，可采用76 kS/s的高速采集卡，方便數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高速傳輸。為提高傳輸穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用MOXA串口聯(lián)網(wǎng)模塊將RS485轉(zhuǎn)為Ethernet，由Ethernet通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 能效控制模塊

能效控制模塊由上位機(jī)、能效執(zhí)行模塊組成，能效執(zhí)行模塊包含PLC、變頻器、電機(jī)。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)影響能效以及電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的采集、處理和顯示，PLC根據(jù)物料運(yùn)量區(qū)間與最優(yōu)帶速控制變頻器完成對(duì)電機(jī)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)能效控制。系統(tǒng)采用的PLC為S7-300系列，與上位機(jī)通過RS485轉(zhuǎn)MD6M接口連接，并通過OPC通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，PLC與變頻器采用雙絞線連接，變頻器采用ACS800-01-05A6-3并配有適配器FSCA-01可實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的通信與數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)為內(nèi)閉環(huán)控制系統(tǒng)，監(jiān)控者能夠?qū)δ苄Э刂魄闆r以及輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警、控制等功能。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，對(duì)各模塊分別描述，最后將其整合。

4.1 數(shù)據(jù)采集處理模塊

4.1.1 帶速采集模塊

帶速測(cè)量通過LabVIEW中的MYDAQ模塊采集，NI數(shù)據(jù)采集卡通過采集旋轉(zhuǎn)編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率，并由模擬通道記錄所產(chǎn)生的高電平個(gè)數(shù)，進(jìn)而獲得輸送帶的瞬時(shí)帶速。LabVIEW內(nèi)自帶時(shí)鐘模塊,可對(duì)已過時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而可計(jì)算平均速度。速度采集模塊包含報(bào)警功能，通過與最大允許帶速進(jìn)行對(duì)比，若超出該速度，則會(huì)報(bào)警。速度采集程序如圖3所示。

圖3 速度采集程序圖

4.1.2 物料流瞬時(shí)流量檢測(cè)

物料流瞬時(shí)流量依據(jù)激光掃描儀采集的物料流截面輪廓和光電編碼器采集的瞬時(shí)帶速換算得到[12]。物料流瞬時(shí)流量檢測(cè)由Visual C++軟件開發(fā)，首先根據(jù)物料流截面輪廓換算得到物料瞬時(shí)截面積，再將物料瞬時(shí)截面積可視化處理。在LabVIEW中通過調(diào)用Visual C++中生成的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)物料瞬時(shí)截面積數(shù)據(jù)在監(jiān)控界面的顯示，再結(jié)合光電編碼器采集的輸送帶瞬時(shí)帶速生成物料瞬時(shí)流量。

4.2 數(shù)據(jù)查詢模塊

電機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)可保存在變頻器中，變頻器與上位機(jī)通過OPC通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)與傳輸，重要參數(shù)在LabVIEW監(jiān)控界面以曲線的形式顯示在圖中[13-14]。為了方便以后用戶對(duì)于以前的帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行查詢，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將測(cè)控模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，但從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身不能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)采集時(shí)間，為了方便后期的歷史數(shù)據(jù)查詢操作，本系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)每天以詳細(xì)日期為名稱進(jìn)行分開保存，而在程序中每條數(shù)據(jù)都會(huì)在前面增加時(shí)間標(biāo)記，在保存時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)接受到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間將時(shí)間字符串添加到每個(gè)數(shù)據(jù)幀前面。圖4為數(shù)據(jù)保存查詢模塊程序圖。

圖4 數(shù)據(jù)保存查詢模塊

4.3 能效控制模塊

能效控制模塊基于LabVIEW與MATLAB聯(lián)合編程實(shí)現(xiàn)[15]。能效控制模型基于最優(yōu)控制原理建立，通過MATLAB scrip模塊計(jì)算出最優(yōu)帶速，再計(jì)算相應(yīng)的脈沖發(fā)送給PLC，由PLC根據(jù)物料運(yùn)量控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。PLC軟件與LabVIEW的數(shù)據(jù)交互由OPC通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)[16]，即通過NI OPC serves創(chuàng)建OPC serve再通過Data Socket可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互需要注意PLC所接收的數(shù)據(jù)格式，所發(fā)送的16位脈沖碼前4位為地址和功能碼，第2組4位為寄存器地址，第3組4位為脈沖頻率倍數(shù)的十六進(jìn)制顯示，最后4位為脈沖頻率倍數(shù)的CRC效驗(yàn)碼，只有當(dāng)主從機(jī)CRC效驗(yàn)碼對(duì)應(yīng)上時(shí)，數(shù)據(jù)通信才能實(shí)現(xiàn)。PLC只識(shí)別LabVIEW所發(fā)送的十六進(jìn)制顯示的16位脈沖碼，不識(shí)別正常顯示。能效控制模塊程序如圖5所示。

圖5 能效控制程序圖

5 能效結(jié)果分析

某港口散料運(yùn)輸高峰階段不同運(yùn)量的消耗功率、帶速及能效參數(shù)如表1所示。圖6為不同運(yùn)量區(qū)間對(duì)應(yīng)最優(yōu)帶速。

表1 不同運(yùn)量的消耗功率、帶速及能效參數(shù)

圖6 不同運(yùn)量區(qū)間對(duì)應(yīng)最優(yōu)帶速

假設(shè)高峰段3 h內(nèi)散料運(yùn)量分別為800、1 800、1 300 t/h，且?guī)捷斔蜋C(jī)分別以最優(yōu)帶速運(yùn)行，則根據(jù)表1及圖6，帶式輸送機(jī)消耗的電量為4 631 kW·h，能效參數(shù)為2.65 t·h/kW。而實(shí)際情況，該港口以恒速4 m/s對(duì)散料進(jìn)行運(yùn)輸，其消耗的電能為5 729 kW·h，能效參數(shù)為1.99 t·h/kW。故采用最優(yōu)帶速運(yùn)輸散料節(jié)省電能1 098 kW·h，能效參數(shù)提升0.66 t·h/kW，降耗增效顯著。圖7為設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)能效監(jiān)測(cè)界面。

圖7 能效監(jiān)測(cè)界面

6 結(jié)束語

本文通過激光掃描儀、光電編碼器實(shí)現(xiàn)了物料截面積、物料流量、帶速的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建了能耗模型，聯(lián)合MATLAB得出最優(yōu)速度，以此為依據(jù)基于LabVIEW設(shè)計(jì)了能效控制系統(tǒng)，并采用OPC通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通信，完成能效控制。該系統(tǒng)配有報(bào)警模塊以及歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，其安全性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、節(jié)能效果明顯，自動(dòng)化程度高，可有效提高港口監(jiān)控、控制自動(dòng)化水平。