柴宗榮

（山西潞安化工集團余吾煤業(yè)公司供電科，山西 長治 046103）

引言

帶式輸送機是煤炭開采生產中的一個重要設備，特別是一些現(xiàn)代化開采的煤礦，煤礦等物料需要輸送機進行運輸。帶式輸送機具有輸送距離長、結構簡單、可靠性好等優(yōu)點，帶式輸送機的應用極大地提高了煤礦開采的效益與自動化水平。隨著社會經濟的發(fā)展，對煤礦開采設備的自動化、電氣化要求也越來越高，傳統(tǒng)的運輸設備已不能滿足日益增長的需求。因此設計出一套性能可靠、技術先進的帶式輸送機運行監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。監(jiān)控系統(tǒng)不僅可了解設備的運行狀態(tài)，同時對輸送機進行遠程控制[1]。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要設計功能是實現(xiàn)對帶式輸送機的集中控制與監(jiān)控，包括驅動電機的互鎖和延時啟停，并可將電氣設備的運行狀況以及可能出現(xiàn)的故障信息上傳至中央控制計算機。通過輸送機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便了解設備運行的狀態(tài)，輸送機一旦出現(xiàn)異常情況，操作人員可根據(jù)系統(tǒng)的反饋提前采取措施，有效地保障了設備的安全運行。輸送機的遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)是一門多學科融合的技術，監(jiān)控的核心內容在于對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過分析皮帶機特征數(shù)據(jù)來識別、判斷輸送機的狀態(tài)[2]。

1 同步控制系統(tǒng)特點

大舉高、長記錄的皮帶輸送機一般配備了多臺驅動電機，由于電機之間存在一定的特征差異以及設備安裝的精度，這就導致多臺驅動電機之間受力不均。特別是皮帶在長時間的運行下，產生了一定的變形，要想精準高效地控制驅動電機的轉速就需要一套同步性控制系統(tǒng)。同步控制系統(tǒng)采用的是集散式控制系統(tǒng)，英文縮寫DCS（Distributed Control System），該控制系統(tǒng)相對于目前主流的集中式控制系統(tǒng)，是一種比較新穎的系統(tǒng)。分散式控制系統(tǒng)基于計算機和通信技術，具有響應快、后期可拓展性、控制精準性等方面的優(yōu)勢，是一種比較常用的在線監(jiān)控系統(tǒng)控制方案。

DCS將中央控制、數(shù)據(jù)傳輸、傳感器數(shù)據(jù)采集等充分整合起來，完成對皮帶輸送機的監(jiān)控與控制，該綜合性控制系統(tǒng)具有以下特點[3]：

1）高可靠性。分散式控制系統(tǒng)將不同的功能與子系統(tǒng)進行集成，若某一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并不會影響系統(tǒng)的其他功能，系統(tǒng)采用了比較合理的冗余配置，有效地提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

2）擴展性?？筛鶕?jù)需要擴展更多新功能，而不需要將系統(tǒng)從底層進行重構，不存在相互依存的關系，在系統(tǒng)的結構設計時非常便利，用戶使用比較方便。

3）易于維護。分散式控制系統(tǒng)結構相對比較分散，分類明確；管理起來也比較方便，，用戶可以在系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、報表打印、故障報警、實時趨勢圖顯示等功能[4]。

4）功能齊全?？刂葡到y(tǒng)的功能完善，可實現(xiàn)連續(xù)控制與順序控制，可對輸送機狀態(tài)進行監(jiān)控，并可根據(jù)輸送機潛在故障進行識別，對輸送機進行集中控制與管理。

2 多電機同步控制流程

根據(jù)皮帶輸送機的實際使用經驗可知，驅動電機受力不均可能嚴重縮短電機的使用壽命，有的甚至會燒壞電機。因此需要創(chuàng)建一套同步控制系統(tǒng)，同步控制系統(tǒng)主要由旋轉編碼器、PLC和變頻器組成。編碼器主要負責采集驅動電機的轉速情況、設備運行情況等，傳感器以及編碼器將物理信號轉化為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號傳送到可編程控制器中，PLC則可根據(jù)上述信息進行判斷，最后輸出對變頻器的控制信號，從而實現(xiàn)對電機轉速的控制。為了研究多臺電機同步特性，搭建同步試驗平臺，以模擬真實的輸送機多電機驅動問題，系統(tǒng)中以一臺驅動電機為參照基準，若其他驅動電機的轉速偏離基準電機時，系統(tǒng)對各電機進行調控。

調控的原理是根據(jù)驅動電機的轉速來確定，可對電機的轉速信號V1、V2進行采集，并以此作為PLC的控制輸入信號，設計PLC根據(jù)不同電機轉速差，實現(xiàn)對電機狀態(tài)的調節(jié)。若電機從電機的轉速小于主電機，則將從電機的轉速進行校準；若從電機轉速大于參考基準電機，則降低從電機的轉速，從而對不同電機同步性進行控制，該控制流程圖如圖1所示。

圖1 同步控制流程圖

3 多機同步控制實驗

實驗驗證同步控制系統(tǒng)的可靠性，設置以兩臺驅動電機為控制對象，實驗室同步控制系統(tǒng)主要包括轉速編碼器、兩臺驅動電機、變頻控制器PLC以及工控機等設備組成。雙電機同步控制系統(tǒng)的結構設計示意圖如圖2所示，編碼器采集電機轉速的脈沖信號，將采集信號傳輸?shù)絇LC，最后進過PID回路計算，可編程控制器對變頻器進行控制。下面對實驗室所設計的同步控制系統(tǒng)硬件選型做簡要說明[5]。

圖2 雙機同步控制系統(tǒng)原理圖

選擇采用了浙江聞達的7 kW電機作為驅動電機，其型號為SF1.95-5X，標準工作電壓為220 V，電壓頻率為60 Hz，最大抗過載能力為170%，持續(xù)時間小于5 min。選擇溫州嘉沃變頻器，設計選用型號為Y80LSH-0.5，控制輸出頻率范圍0.1~500 Hz，額定功率為3.1 kW，可靠性好、與電機兼容性好。單個電燈泡的功率為120 W，額定工作電壓為220 V，電機轉速編碼器型號為FAL-980-3SD，電機同步控制系統(tǒng)的實驗室平臺實物如圖3所示。

圖3 同步控制試驗臺

4 實驗步驟

同步性控制實驗主要研究對象就是兩臺電機的轉速的問題，所以主要研究目標是電機轉速的控制，下面對該實驗的主要幾個步驟做簡要介紹：

1）首先，在搭好實驗平臺后，接入動力電源線，零線接地、兩向接入220 V電源；變頻器布置安裝于驅動電機之上，變頻器和異步電機都需要接地線，防止設備出現(xiàn)漏電情況對人員設備造成危害。

2）變頻器參數(shù)的設置，需對變頻器進行設置，以確保其能根據(jù)控制信號對驅動電機提供不同頻率的電源信號；變頻器最大輸出頻率為70 Hz，基本額定頻率為50 Hz，F(xiàn)AM端子最大輸出電壓為10 V；將變頻器頻率設定為電壓方式0~10 V。

3）初步試驗。在所有工作準備就緒后，進行通電試驗；電機在轉動成功后，可以對兩個電機的轉速進行采集。給主動電機20%、30%、50%轉速的階躍信號，觀察從動電機轉速的跟隨能力，數(shù)據(jù)的采集是每分鐘10次，整個試驗數(shù)據(jù)采集周期為半小時，觀察三組數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

4）試驗數(shù)據(jù)分析。最后是對所采集的數(shù)據(jù)進行分析，實驗數(shù)據(jù)采集的信號為編碼器的脈沖信號，則脈沖的頻率f與電機轉速n之間的轉換關系為：

其中：1 024表示電機每轉一圈旋轉編碼器發(fā)出的脈沖次數(shù)。實驗采集驅動電機在30%、60%、80%最大轉速運行時兩臺電機的轉速差。

5 實驗結果分析

由于篇幅有限，在此只列出每種轉速下對兩種電機所采集數(shù)據(jù)的平均值，求取不同轉速多組數(shù)據(jù)的平均值，并以此為參考依據(jù)。已知30%、60%、80%最大轉速運行時兩臺電機的轉速差平均值如表1所示。

表1 各組實驗均值

通過實驗數(shù)據(jù)可以得知，在不同的最大轉速實驗組中，兩臺驅動電機數(shù)據(jù)誤差均在0.2 r/min，說明同步控制系統(tǒng)對電機的速度控制具有很好的效果。實驗驗證了該同步調速系統(tǒng)具有較高的可靠性，可適應驅動電機不同轉速變化對同步性的要求；后期為了驗證同步控制系統(tǒng)的速度跟隨性能，分別加給主動電機20%、30%、50%最大轉速的階躍信號，觀察從動電機轉速的跟隨情況，最終得到實驗數(shù)據(jù)顯示該同步控制系統(tǒng)，具有良好的速度同步性能，速度跟隨的平均上升時間為5 s，平均調整時間為12 s，均無靜態(tài)誤差，綜上所述無論主動電機轉速如何變化，同步系統(tǒng)最終都能達到穩(wěn)定，同步控制系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的控制能力。