杜浩斌

（挖金灣煤業(yè)公司運(yùn)銷站， 山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下綜采作業(yè)的核心，直接關(guān)系到井下物料輸送的安全性和效率，特別是隨著多點(diǎn)驅(qū)動輸送機(jī)的廣泛應(yīng)用，對輸送機(jī)運(yùn)行時的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)輸送機(jī)系統(tǒng)多采用“變頻器+異步電機(jī)+減速器+聯(lián)軸器”的控制模式，導(dǎo)致其在實(shí)際使用過程中存在著較大的動能傳遞損失，而且由于輸送帶存在著較大的彈性，導(dǎo)致動力傳遞具有滯后性，造成輸送機(jī)不同位置的驅(qū)動電機(jī)功率輸出波動大、平衡性差，而且張緊裝置反應(yīng)速度慢，無法及時對輸送帶的張力進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些都導(dǎo)致輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中啟動沖擊大、故障率高和經(jīng)濟(jì)性差，嚴(yán)重影響著井下物料運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性。

結(jié)合輸送機(jī)穩(wěn)定傳輸?shù)男枨?，本文提出了一種新的帶式輸送機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了集中控制模式，利用永磁電機(jī)驅(qū)動穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)系統(tǒng)的雙閉環(huán)矢量控制、多電機(jī)平衡協(xié)同控制、智能永磁張緊，將輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行故障率降低了76.4%，使輸送機(jī)系統(tǒng)的單機(jī)運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約了120萬元/年，對提高輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

1 雙閉環(huán)矢量控制邏輯

輸送機(jī)在井下運(yùn)行的過程中經(jīng)常處于重載狀態(tài)，此時對輸送機(jī)系統(tǒng)的啟動轉(zhuǎn)矩和啟動穩(wěn)定性要求很高，傳統(tǒng)的異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在啟動過程中的啟動電流會達(dá)到額定電流的6 倍以上，而其產(chǎn)生的實(shí)際有效轉(zhuǎn)矩僅為額定轉(zhuǎn)矩的0.8 倍。雖然變頻器能夠適當(dāng)?shù)亟档蛦訒r的電流沖擊，但在低頻控制模式下的驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性差，無法滿足低速重載啟動需求。

本文提出了一種新的輸送機(jī)啟動系統(tǒng)，其以永磁電機(jī)為核心，通過雙閉環(huán)矢量控制來滿足輸送機(jī)系統(tǒng)在不同情況下的柔性啟動需求。該輸送機(jī)控制系統(tǒng)的布局如圖1 所示[1]。

圖1 輸送機(jī)雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)

為了滿足矢量控制的需求，將輸送機(jī)系統(tǒng)上的各個驅(qū)動電機(jī)均換成了“永磁直驅(qū)電機(jī)+聯(lián)軸器”的控制模式，該永磁電機(jī)對滾筒位置和轉(zhuǎn)速的反饋通過編碼器來進(jìn)行。該控制系統(tǒng)的核心為雙閉環(huán)矢量控制算法及模糊優(yōu)化決策系統(tǒng)，能夠根據(jù)輸送機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載來靈活地調(diào)整輸送機(jī)的運(yùn)行帶速。通過監(jiān)測輸送機(jī)運(yùn)行帶速和驅(qū)動電機(jī)的工作電流，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)反饋控制，以及對輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的智能、快速調(diào)整。

2 多電機(jī)平衡協(xié)同控制

為了克服傳統(tǒng)多電機(jī)驅(qū)動輸送機(jī)在運(yùn)行過程中普遍存在的電機(jī)功率不平衡、使用壽命低、安全性差的問題，本文提出了一種新的多電機(jī)平衡協(xié)同控制策略[2]。其控制邏輯如下頁圖2 所示，圖2 中Tx表示不同傳動階段的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖2 多電機(jī)平衡協(xié)同控制示意圖

以頭部和中部兩點(diǎn)驅(qū)動系統(tǒng)為例，以輸送機(jī)頭部的永磁電機(jī)為主傳動系統(tǒng)，以中部的永磁電機(jī)為從動傳動系統(tǒng)，以主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為平衡各從動電機(jī)轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)。在工作過程中輸送機(jī)系統(tǒng)首先獲取整個輸送機(jī)運(yùn)行時所需的總轉(zhuǎn)矩，然后根據(jù)主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩計算出從動電機(jī)的理論輸出轉(zhuǎn)矩，之后將該信號作為輸入控制量來控制從動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，同時系統(tǒng)對其實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和理論輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比并修正，保證實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)系統(tǒng)各個驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平衡。

3 輸送機(jī)智能永磁張緊控制

由于輸送機(jī)的輸送帶是黏彈性的結(jié)構(gòu)，能夠存儲大量的能量，在傳遞過程中具有較大的滯后性，因此傳統(tǒng)的液壓張緊裝置在工作時存在張緊不及時、反應(yīng)速度慢的缺陷，無法根據(jù)輸送機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整，因此本文提出了一種新的以永磁電機(jī)為基礎(chǔ)的三閉環(huán)張緊控制邏輯，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示[3]。

圖3 三閉環(huán)張緊控制邏輯示意圖

由圖3 可知，該控制系統(tǒng)為三層閉環(huán)控制邏輯[4]，其中第一層為外環(huán)控制，以系統(tǒng)預(yù)設(shè)的張緊力為控制基礎(chǔ)，實(shí)施后續(xù)指令控制；第二層為中環(huán)控制，利用的是速度控制模式，實(shí)現(xiàn)輸送帶在快速移動過程中的聯(lián)動控制；第三層為內(nèi)環(huán)控制，采用的是力矩控制環(huán)，根據(jù)永磁電機(jī)的輸出力矩來實(shí)現(xiàn)反饋控制。

三閉環(huán)張緊控制模式的優(yōu)點(diǎn)在于采用三重保護(hù)控制邏輯，有效地避免了輸送帶在波動情況下張力傳遞滯后導(dǎo)致的監(jiān)測不穩(wěn)定、張力調(diào)節(jié)滯后的不足。

4 防打滑控制

輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，若輸送帶出現(xiàn)張力波動，則極易產(chǎn)生打滑，頻繁地打滑不僅會影響輸送帶的使用壽命，而且會導(dǎo)致物料散料等，嚴(yán)重影響輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。本文提出了一種新的輸送機(jī)防打滑控制系統(tǒng)，其利用電子監(jiān)測設(shè)備對輸送機(jī)驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時將滾筒轉(zhuǎn)速和對應(yīng)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，若轉(zhuǎn)速超過設(shè)定轉(zhuǎn)速的4%時，系統(tǒng)就判定出現(xiàn)了打滑，則立刻激活防打滑控制邏輯，以降低驅(qū)動電機(jī)的輸入電流，同時張緊裝置啟動，增加輸送帶的張緊力，直到轉(zhuǎn)速差恢復(fù)到安全值以內(nèi)。

該控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于通過速度差判斷是否打滑，能夠快速準(zhǔn)確地對打滑作出調(diào)整，反應(yīng)速度快、靈敏度高。其防打滑控制策略如圖4 所示[5]。

圖4 防打滑控制邏輯

5 應(yīng)用效果分析

以雙點(diǎn)驅(qū)動輸送機(jī)為例，將該驅(qū)動控制系統(tǒng)按照上述方案進(jìn)行改造后，節(jié)約了人工費(fèi)用、運(yùn)行電費(fèi)節(jié)約120 萬元/年，輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的故障數(shù)量由最初的24.7 次/月降低到了目前的5.8 次/月，平均降低了76.4%，極大地提升了輸送機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用穩(wěn)定性和可靠性，具有極大的應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

1）雙閉環(huán)矢量控制通過監(jiān)測輸送機(jī)運(yùn)行帶速和驅(qū)動電機(jī)的工作電流，實(shí)現(xiàn)對輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的智能、快速調(diào)整。

2）多電機(jī)平衡協(xié)同控制策略，克服了傳統(tǒng)多電機(jī)驅(qū)動輸送機(jī)在運(yùn)行過程中普遍存在的電機(jī)功率不平衡、使用壽命低、安全性差的不足。

3）三閉環(huán)張緊控制邏輯，有效地避免了輸送帶在波動情況下張力傳遞滯后導(dǎo)致的監(jiān)測不穩(wěn)定、張力調(diào)節(jié)滯后的不足。

4）輸送機(jī)防打滑控制系統(tǒng)，通過速度差判斷是否打滑，能夠快速準(zhǔn)確地對打滑作出調(diào)整，反應(yīng)速度快、靈敏度高。