煤礦帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 淼

（山西蘭花集團(tuán)東峰煤礦有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)和物流行業(yè)運(yùn)輸物料的重要輸送設(shè)備而被廣泛應(yīng)用[1]，其大致上由傳動(dòng)滾筒、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)器、機(jī)架和膠帶等組成，這正因?yàn)檫@些組成部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使得帶式輸送機(jī)具有運(yùn)量大、范圍廣、效率高的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。隨著電氣信息與機(jī)械工藝的發(fā)展完善，目前帶式輸送機(jī)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新的發(fā)展階段，而發(fā)展的核心技術(shù)向智能化可控系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)化分析技術(shù)、環(huán)保技術(shù)等方向進(jìn)行[3-4]。

帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)于提高整體系統(tǒng)設(shè)備效率、減少故障發(fā)生率有著積極推動(dòng)作用[5-7]，與以往單純?cè)黾虞斔蜋C(jī)帶寬方式相比，增加帶速更能對(duì)經(jīng)濟(jì)效益提升帶來顯著影響[8]。本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)，正是實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)以變頻自動(dòng)調(diào)速的方式進(jìn)行啟動(dòng)，使得整個(gè)啟動(dòng)過程減小輸送機(jī)各部件的載荷而滿足實(shí)際運(yùn)輸需求，這對(duì)煤礦生產(chǎn)降低使用成本和維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效益具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)分析

1.1 電控系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

（1）井下輸送機(jī)等設(shè)備所有運(yùn)行的程序編譯在DSP數(shù)字處理器中，根據(jù)實(shí)時(shí)反饋?zhàn)龀鲰憫?yīng)；

（2）當(dāng)運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)電控系統(tǒng)能及時(shí)做出響應(yīng)識(shí)別故障點(diǎn)，并報(bào)警顯示具體故障位置；

（3）整個(gè)電控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)重要參數(shù)重點(diǎn)標(biāo)識(shí)；

（4）軟件系統(tǒng)具有二次開發(fā)的功能，具有良好的人機(jī)交互界面；

（5）輸送機(jī)具有可控啟動(dòng)、停車前后設(shè)備連鎖、自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行等功能模式；

（6）控制系統(tǒng)端預(yù)留足夠的輸入輸出端口，特別是控制器容量、電源容量等；

（7）具有無線、有線、遠(yuǎn)程控制功能，輸送機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)置有相關(guān)響應(yīng)，能對(duì)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視并實(shí)時(shí)傳輸至中控計(jì)算機(jī)。

1.2 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析

井下帶式輸送機(jī)大多采用的是高電壓、大功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)改變頻率的方式利用高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，所以說對(duì)帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足適應(yīng)該電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)特性和多機(jī)分散設(shè)置驅(qū)動(dòng)功率平衡的控制要求， 針對(duì)如圖1所示的帶式輸送機(jī)模型，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性分析如下。

圖1 帶式輸送機(jī)模型示意圖

對(duì)帶式輸送機(jī)模型化可知其動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：A為輸送機(jī)輸送帶的橫截面；qh為輸送帶每米等效質(zhì)量；ω(x ,t)為輸送帶單位長(zhǎng)度所受的阻力。

對(duì)于帶式輸送機(jī)啟動(dòng)初始，帶上每點(diǎn)都處于一種相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，故可得：

對(duì)于帶式輸送機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)后并在額定速度下運(yùn)行，則有：

對(duì)于帶式輸送機(jī)輸送帶被拉緊時(shí)，則有：

綜上（1）、（2）、（3）式可得：

通過對(duì)帶式輸送機(jī)數(shù)學(xué)模型分析與計(jì)算并針對(duì)性對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性析可以得出以下結(jié)論：（1）當(dāng)輸送機(jī)模型采用階躍激勵(lì)時(shí)引起的動(dòng)態(tài)沖擊將會(huì)很大；（2）當(dāng)輸送機(jī)模型采用斜坡激勵(lì)時(shí)引起的動(dòng)態(tài)沖擊相對(duì)較小；（3）當(dāng)輸送機(jī)模型采用正弦激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生的張力效應(yīng)相比于斜坡效應(yīng)小些，動(dòng)態(tài)沖擊也不大，所以可以延長(zhǎng)帶式輸送機(jī)的使用壽命，降低使用成本，故推薦采用此方式激勵(lì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)以DSP系列STM32F103ZET6為核心組成全數(shù)字變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，主要包括電源電路、上位機(jī)、檢測(cè)模塊、通信電路、模塊、輸入輸出模塊、變頻器等。其中主電路又包括整流、濾波、功率控制、逆變等電路，如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)的矢量控制由控制算法與接口電路兩部分組成。控制算法分電流環(huán)和速度環(huán)兩部分，以PID控制為基礎(chǔ)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變化與反變換等相關(guān)控制，而利用DSP數(shù)字處理器完成系統(tǒng)算法的編譯。其中電流內(nèi)環(huán)以高于外環(huán)的轉(zhuǎn)速保證系統(tǒng)穩(wěn)定性；通過轉(zhuǎn)矩的變化完成系統(tǒng)加速響應(yīng)過程，在系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)下利用最小功率方式降低系統(tǒng)損耗，實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)化。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 主控處理器選型

本系統(tǒng)為適用礦井下復(fù)雜環(huán)境，以STM32F103ZET6為核心的嵌入式控制芯片，其性能相比于8bit單片機(jī)內(nèi)核更為強(qiáng)大，功耗更低，專門實(shí)用于工業(yè)控制和消費(fèi)電子等領(lǐng)域但成本其成本僅略高于8bit單片機(jī)。STM32F103ZET6型號(hào)的控制處理器有如下特點(diǎn)：

（1）具有12位的數(shù)模轉(zhuǎn)化端口，每個(gè)ADC端口都有18個(gè)通道，這些通道中每個(gè)都可以單獨(dú)處于信號(hào)讀取工作模式，并將讀取結(jié)果存放在16位的寄存器中，方便對(duì)多種數(shù)據(jù)的采集與處理。

（2）擁有USART串口數(shù)為3個(gè)，通過此串口可以對(duì)指定的數(shù)據(jù)與外部連接設(shè)備進(jìn)行通信連接。

（3）此芯片存儲(chǔ)器容量為521 kB，144個(gè)引腳，能同時(shí)輸出多路PWM控制信號(hào)。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì)

輸送機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量是整個(gè)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果直接影響整個(gè)電控變頻系統(tǒng)的控制精度。故本系統(tǒng)通過采用光電碼盤利用M法對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，工作原理總結(jié)為：在選定的某一個(gè)周期內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)算，通過如下公式確定其轉(zhuǎn)速：

式中：Tc為采樣時(shí)間；Pn為光電碼盤脈沖數(shù)；m為脈沖數(shù)。

將主控芯片STM32F103ZET6的QEP1和QEP2兩引腳分別與光電脈沖編碼器的A、B兩相連接，將芯片設(shè)置成正交編碼脈沖模式后，再設(shè)置定時(shí)器工作在QEP模式下，QEP電路便可以處理來自兩路相位相差90°的脈沖信號(hào)。同時(shí)為保證碼盤輸出信號(hào)頻率的要求，需設(shè)計(jì)高速光電隔離電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 高速光電耦合電路

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

為解決控制系統(tǒng)與PC上位機(jī)通信的問題，故通過RS-485收發(fā)器進(jìn)行串口通信。RS485總線因具有使用簡(jiǎn)便、容易操作控制、靈敏度高以及成本低的優(yōu)勢(shì)被廣泛使用。通過DSP芯片中的SCI接口可以與RS485進(jìn)行平衡發(fā)送數(shù)據(jù)與差分接收數(shù)據(jù)的功能，設(shè)計(jì)通信電路如圖4所示。

圖4 DSP與SP3485接口電路圖

2.5 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于礦井下使用的三相電電流檢測(cè)時(shí)，需要將其轉(zhuǎn)化為DSP處理器可以識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)，根據(jù)三相電平衡公式，可知只需檢測(cè)其中兩相電流即可。為保證整個(gè)矢量系統(tǒng)控制精度，采用LEM霍爾電流傳感器。該傳感器工作電壓為±15 V，額定輸入電流為±10 A，工作頻率為0～25 kHz。在實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)交流信號(hào)有正有負(fù)的不相符的問題，所以電流檢測(cè)時(shí)采用LF353型號(hào)的運(yùn)行放大電路對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 電流檢測(cè)電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，本系統(tǒng)采用DSP完全適用井下工業(yè)環(huán)境中，而對(duì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)軟件的編譯環(huán)境易開發(fā)，程序通俗易懂，整個(gè)系統(tǒng)具有小故障率低的優(yōu)勢(shì)，被廣泛采用。

在DSP控制的程序中主要包括針對(duì)變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)軟起動(dòng)控制、調(diào)速控制、可控控制、經(jīng)濟(jì)停車控制、功率平衡控制等，這些通過DSP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶速、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電參數(shù)等信號(hào)進(jìn)行判別后，按照既定編譯好的運(yùn)行規(guī)則程序進(jìn)行邏輯運(yùn)行，輸出脈沖完成控制功能。對(duì)于輸送機(jī)的跑偏、超速、超溫、打滑等基本控制通過將其轉(zhuǎn)換為開關(guān)輸入與輸出信號(hào)完成控制功能。設(shè)計(jì)啟動(dòng)過程的流程圖如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)流程圖

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)煤礦所需帶式輸送機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與需求進(jìn)行分析，再對(duì)其啟動(dòng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算建模，根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析求出最佳激勵(lì)輸入可以輸送機(jī)壽命最優(yōu)化。并以此以DSP數(shù)字處理器為核心設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路與變頻啟動(dòng)電控系統(tǒng)。在綜合考慮各方面的因素后，實(shí)際運(yùn)行所設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)，有效保證帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量可靠運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，適合用于煤礦生產(chǎn)。