田 晶，羅立川

(1.廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 廣州 510663； 2.廣州市金峰機(jī)械科技有限公司，廣東 廣州 510000)

帶式輸送機(jī)是煤礦開采過程中重要的運輸裝備，其運輸過程的穩(wěn)定性以及運輸效率會對整個煤礦開采過程和效率產(chǎn)生重要影響[1]。受煤礦開采技術(shù)水平的限制，以往我國煤礦使用的帶式輸送機(jī)多數(shù)為單電機(jī)驅(qū)動[2]。但隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平以及對煤礦開采效率要求的不斷提升，目前單電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)已經(jīng)無法滿足實際使用需要，很多煤礦已經(jīng)開始使用多電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)[3]。多個電機(jī)可以提供更大的動力，顯著提升設(shè)備運行效率，延長輸送距離[4]。但是多電機(jī)驅(qū)動模式在實踐中存在電機(jī)功率平衡問題，如果控制不當(dāng)會導(dǎo)致電機(jī)輸出不協(xié)調(diào)，降低設(shè)備運行穩(wěn)定性，縮短設(shè)備使用壽命[5]?；诖?，有必要針對帶式輸送機(jī)多電機(jī)之間的功率協(xié)調(diào)問題進(jìn)行分析，設(shè)計多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電機(jī)之間的功率平衡，提升設(shè)備運行穩(wěn)定性[6]。本文主要針對此問題進(jìn)行研究，對于提升帶式輸送機(jī)的性能、保障煤礦開采效率具有一定的意義。

1 帶式輸送機(jī)概述

本文以某煤礦使用的DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)為研究對象，對多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機(jī)主要由傳動滾筒、改向滾筒、托輥、輸送帶、拉緊裝置以及給料裝置等部分構(gòu)成。其中，傳動滾筒的作用是接收電機(jī)輸出的動力，并通過滾筒與輸送帶之間的摩擦力帶動輸送帶作往復(fù)運動；改向滾筒的作用是改變輸送帶的運動方向；拉緊配重裝置的作用是將輸送帶拉緊，確保其與滾筒之間緊密接觸，防止發(fā)生打滑的現(xiàn)象。

圖1 帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意

工程案例中，由于煤礦物料的輸送距離相對較長，超過了3 700 m，需要同時使用多臺電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。所述型號帶式輸送機(jī)共通過3臺電機(jī)同時進(jìn)行驅(qū)動，每臺電機(jī)的功率均為630 kW。其中，2臺電機(jī)位于機(jī)頭部位，1臺電機(jī)位于機(jī)尾部分。多電機(jī)驅(qū)動有效解決了帶式輸送機(jī)動力不足的問題，但如何保障多個電機(jī)之間的功率協(xié)調(diào)是控制系統(tǒng)需要重點解決的問題。

2 多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體方案設(shè)計

在深入分析DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)電機(jī)驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，對其多電機(jī)協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行設(shè)計研究，多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體方案如圖2所示。控制系統(tǒng)為每臺電機(jī)配備了1臺變頻器，通過變頻器可以將固定的電源頻率輸出為不同電壓頻率的電源，然后給電機(jī)供電。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與其供電頻率之間存在比例關(guān)系，通過對變頻器輸出電源頻率大小的控制，進(jìn)而可以實現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。

圖2 多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體方案框圖

2.2 控制策略分析

帶式輸送機(jī)中所有的電機(jī)使用同一套供電系統(tǒng)，電機(jī)輸入電壓可以保持一致。在電壓相同的情況下，電機(jī)的電流就可以很好地反映其運行功率大小。所以，系統(tǒng)中基于電流方法對3臺電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。帶式輸送機(jī)運行過程中，通過電流互感器對3臺電機(jī)的電流大小進(jìn)行實時檢測，檢測結(jié)果輸入到控制器中進(jìn)行分析?？刂破魇紫葘?臺電機(jī)的平均電流值進(jìn)行計算，然后基于該平均值利用差值法對3臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。如果檢測發(fā)現(xiàn)電機(jī)的運行電流大于平均電流，系統(tǒng)會下達(dá)控制指令，降低變頻器的電源輸出頻率，進(jìn)而減小電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；相反，如果檢測發(fā)現(xiàn)電機(jī)的運行電流小于平均電流，系統(tǒng)會對變頻器進(jìn)行控制，增加輸出電源的頻率，進(jìn)而增大電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。通過以上調(diào)節(jié)控制策略，直到3臺電機(jī)的運行電流達(dá)到協(xié)調(diào)平衡。

2.3 啟動和制動方式的選擇

帶式輸送機(jī)在啟動階段或者制動階段如果只是簡單的采用硬啟動或硬制動的方式，必然會對設(shè)備造成比較大的沖擊，特別是在特殊情況下進(jìn)行重載自動或者重載啟動時，這種沖擊會更大，給帶式輸送機(jī)造成不可挽回的損傷，從而加大設(shè)備運行時的故障率。為了避免以上問題的出現(xiàn)，可以采用軟啟動的方式。設(shè)備進(jìn)行啟動。目前針對軟啟動的具體模式，專家和學(xué)者開展了大量的研究，提出了多種啟動模式。其中，比較常見的包括拋物線形啟動模式、正弦形啟動模式和S曲線形啟動模式。通過對不同啟動模式的比較分析發(fā)現(xiàn)，S曲線形啟動模式在實踐中取得了更好的效果，能夠最大限度地降低啟動過程對設(shè)備造成的沖擊。所以，研究中采用S曲線形啟動模式對帶式輸送機(jī)進(jìn)行啟動，該過程需要依賴控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。S曲線形啟動模式中膠帶速度的變化曲線如圖3所示。

圖3 S曲線形啟動模式中膠帶速度的變化曲線

2.4 控制方法的選擇

系統(tǒng)選用先進(jìn)的PID控制技術(shù)對帶式輸送機(jī)多電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運行情況進(jìn)行控制。其中P、I、D分別表示比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，分別用于糾正偏差、消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、降低系統(tǒng)的超調(diào)量，以提升控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。基于PID技術(shù)的控制過程基本原理如圖4所示。由圖4可以看出，該控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有更高的控制精度?；赑ID控制技術(shù)還可以確?？刂七^程的穩(wěn)定性。

圖4 基于PID技術(shù)的控制過程基本原理

圖4中，r(t)表示系統(tǒng)或者人為給定的電機(jī)平均運行電流值，f(t)表示電機(jī)運行過程中的實際電流值，e(t)表示實際電流值與平均電流值之間的差值，u(t)表示控制器經(jīng)過分析計算后給出的電流調(diào)整量。變頻器根據(jù)該調(diào)整量對輸出的電源頻率進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)整。

3 控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

由于整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)涉及到很多方面的硬件，以下主要針對主要的變頻器、控制器以及網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(1)變頻器設(shè)計。本控制系統(tǒng)中選用S120型變頻器，該型號變頻器在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。變頻器工作時，輸入的電源頻率為50 Hz，輸出的電源頻率可以根據(jù)實際需要在0～120 Hz內(nèi)調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)可以基于內(nèi)置的S曲線形啟動模式對帶式輸送機(jī)的啟動過程進(jìn)行精確控制，避免設(shè)備啟動過程出現(xiàn)過大的沖擊，尤其是重載啟動時產(chǎn)生的沖擊。

S120型變頻器控制方案如圖5所示。速度給定和功率平衡給定全部由控制器完成，變頻器與控制器之間通過Profibus方式實現(xiàn)。速度給定時可以直接按照系統(tǒng)中內(nèi)置的速度進(jìn)行控制，稱為自動控制模式；特殊情況下，也可通過人工方式在觸摸屏中進(jìn)行設(shè)定，稱為人工控制模式。

圖5 S120型變頻器控制方案

基于變頻器不僅可以實現(xiàn)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制，還可以實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動和軟制動，按照S曲線形啟動模式對電機(jī)的運行速度進(jìn)行控制，實現(xiàn)對設(shè)備的啟動和制動過程的精確控制。要求啟動和制動過程中，輸送帶的加速度控制在0.08 m/s2范圍以內(nèi)。

煤礦開采過程中，有時煤礦開采效率相對較低，產(chǎn)煤量相對較少，大型帶式輸送機(jī)很多時候都需要實現(xiàn)輕載運行[7]。在這種工況條件下，如果帶式輸送機(jī)仍然以額定的速度進(jìn)行工作，那么就會發(fā)生“大馬拉小車”的現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致電力能源浪費問題，還會加速設(shè)備的磨損，增加維護(hù)保養(yǎng)成本?；赟120型變頻器，可以根據(jù)帶式輸送機(jī)實際運行情況，對其輸送速度進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實際的輸出量。這種措施可以確保設(shè)備運行效率的同時，達(dá)到節(jié)省電力能源、降低設(shè)備零部件磨損的效果。

(2)控制器的設(shè)計。隨著工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，自動化水平的不斷提升，目前PLC控制器在各行各業(yè)都有非常廣泛的應(yīng)用[8]。市場上有多種型號的PLC產(chǎn)品，S7-300型PLC控制器的應(yīng)用最為廣泛，已經(jīng)過實踐檢驗，具有很好的應(yīng)用效果，不僅成本低、應(yīng)用靈活性強，且具有很高的可靠性。所以本文設(shè)計的控制系統(tǒng)中，選用S7-300型PLC控制器。

S7-300型PLC控制器采用模塊化設(shè)計，整個結(jié)構(gòu)通過不同的模塊進(jìn)行組裝，不同模塊之間完全相互獨立，可以隨意更換。S7-300型PLC控制器的硬件構(gòu)成如圖6所示。圖6中，PS表示電源模塊，CPU表示中央處理器模塊，IM表示接口模塊，SM表示數(shù)字量輸入輸出信號模塊，CP表示通信模塊。該型號PLC控制器可以通過MPI網(wǎng)接口實現(xiàn)與其他硬件設(shè)施的連接。

圖6 S7-300型PLC控制器的硬件構(gòu)成

S7-300型PLC控制器在實踐應(yīng)用中表現(xiàn)出了很好的優(yōu)勢，其指令計算速度可以控制在0.1～0.6 μs內(nèi)，性能強勁?？刂破饕呀?jīng)集成了很多的功能，減小了人工編程量，運行過程中可以對自身產(chǎn)生的故障進(jìn)行自動診斷，并對相關(guān)的故障問題進(jìn)行記錄。

(3)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。為了保障協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運行時的性能，每個變頻器都使用了1個PLC控制器，并且3個控制器之間通過光纖模塊利用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，而PLC控制器與變頻器之間通過通信電纜進(jìn)行連接，基于Profibus-DP方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。

多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接如圖7所示。變頻器運行過程中產(chǎn)生的工作信號以及故障信號都會傳入到PLC控制器中進(jìn)行分析，PLC控制器基于CPU 315-2DP模塊與變頻器進(jìn)行連接。基于CP 342-5模塊與光纖模塊進(jìn)行連接，實現(xiàn)不同PLC控制器之間的數(shù)據(jù)交互，需要交互的數(shù)據(jù)包括電機(jī)運行時的電流、電壓、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

對于控制系統(tǒng)而言，各項硬件設(shè)施是基礎(chǔ)，而軟件是實現(xiàn)硬件各項功能的重要保障，所以軟件設(shè)計也是控制系統(tǒng)設(shè)計中非常重要和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[9]。帶式輸送機(jī)多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運行過程中的總程序流程如圖8所示。由圖8可知，系統(tǒng)啟動以后，首先判斷設(shè)備是否正常開車。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備沒有正常開車，則需要立即停止運行。如果判斷正常開車，則啟動變頻器以及控制器等硬件設(shè)施。當(dāng)需要對帶式輸送機(jī)進(jìn)行停機(jī)時，如果是正常停機(jī)就按正常程序完成相關(guān)操作即可。控制系統(tǒng)還提供了緊急停車程序，方便緊急情況下對帶式輸送機(jī)進(jìn)行緊急制動處理，保證設(shè)備運行的安全性。

系統(tǒng)在正常運行時有2種控制模式，分別為自動控制模式和就地人為控制模式。在自動控制模式下無需人為操作，系統(tǒng)會按照系統(tǒng)設(shè)置的運行速度，對各個電機(jī)的運行速度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，確保三臺電機(jī)之間的功率平衡。就地控制模式通常是在對帶式輸送機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時才會使用。

4 應(yīng)用效果分析

在沒有使用多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)之前，帶式輸送機(jī)的3臺電機(jī)之間難以保持平衡，而是處于一種不協(xié)調(diào)的狀態(tài)[10]。未使用多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)前電機(jī)電流的變化情況如圖9所示。從圖9中可以明顯看出，3臺電機(jī)運行過程中的電流值出現(xiàn)了非常大的波動，并且電機(jī)之間的電流差異非常明顯。電流的差異意味著電機(jī)運行功率的差異。位于帶式輸送機(jī)機(jī)頭部位的M1和M2電機(jī)電流相對較小，位于機(jī)尾部分的M3電機(jī)電流相對較大，且差距很大。過大的電流可能會超過電機(jī)的額定電流值，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象，影響電機(jī)的使用壽命。

圖9 未使用多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)前電機(jī)電流的變化情況

為了解決DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)3臺電機(jī)之間運行不協(xié)調(diào)的問題，將設(shè)計的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)工程實踐中，并對其實際應(yīng)用效果進(jìn)行的實踐測試。使用多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)后帶式輸送機(jī)3臺電機(jī)電流的變化情況如圖10所示。由圖10可知，3臺電機(jī)對應(yīng)的電流變化曲線基本上是一致的，說明它們之間的協(xié)調(diào)性得到明顯改善，電機(jī)電流值的波動幅度也較小，為150～170 A，電機(jī)之間電流差值幾乎可以忽略不計。

圖10 使用多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)后電機(jī)電流的變化情況

綜上所述，通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)測試，發(fā)現(xiàn)各項功能基本達(dá)到了預(yù)期效果，能夠?qū)?臺電機(jī)之間的協(xié)調(diào)性進(jìn)行有效控制，保障不同電機(jī)之間的功率平衡。

多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，顯著提升了帶式輸送機(jī)運行過程的可靠性和穩(wěn)定性，特別是保障了電機(jī)的運行穩(wěn)定性，為延長電機(jī)的使用壽命奠定了良好的基礎(chǔ)。另一方面，基于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)帶式輸送機(jī)啟動過程和制動過程的軟啟動或軟制動，有效規(guī)避了啟動和制動過程對設(shè)備造成的沖擊，降低了設(shè)備的故障率，減小了設(shè)備運行過程的維護(hù)、保養(yǎng)以及故障維修成本?？傊撓到y(tǒng)的實踐應(yīng)用為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，獲得了企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員和基層工作人員的一致認(rèn)可。

5 結(jié)論

本文主要以DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)為研究對象，對多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和研究，所得結(jié)論主要包含以下幾個方面。

(1)多電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)雖然能夠提供更大的動力，但是在啟動、制動和運行過程中，如何保障多電機(jī)之間的協(xié)調(diào)性是急需解決的問題。如果電機(jī)之間無法保持協(xié)調(diào)一致，會影響設(shè)備運行的穩(wěn)定性，還會縮短電機(jī)使用壽命。

(2)基于PLC控制器和S120型變頻器，設(shè)計了多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。不僅可以實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動和軟制動，避免啟動和制動過程對設(shè)備造成沖擊，還可以確保啟動、制動和運行過程中3臺電機(jī)之間的協(xié)調(diào)性。

(3)將設(shè)計的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用到DTL120/200/3×630型帶式輸送機(jī)工程實踐中，對其應(yīng)用效果進(jìn)行了實踐測試，發(fā)現(xiàn)整體運行良好。電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運行情況得到了很好的保障，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。