帶式輸送機皮帶液壓張緊控制系統分析

武 進

(山西焦煤特種設備檢驗中心， 山西 太原 030024)

帶式輸送機是煤礦井下主要的運輸設備之一，負責原煤、物料的長距離運輸。張緊裝置是帶式輸送機的核心裝置之一，為帶式輸送機的連續、穩定、長距離運行提供合適的張緊力。帶式輸送機的張緊力隨著負載的變化而變化，張緊力過緊會觸發輸送帶發生斷帶故障；張緊力過松會觸發輸送帶發生打滑故障[1-3]. 因此，需要設計張緊控制系統，使得張緊力能夠隨著負載變化自適應調節，實現張緊裝置的智能控制。針對帶式輸送機張緊控制系統，國內外學者展開了一系列的研究，如建立負載動態預測模型，利用多元回歸法分析帶式輸送機載荷與阻力之間的數學關系[4]；建立帶式輸送機負載承載能力仿真模型，預測不同工作狀態下的負載量，指導并自適應調節張緊力[5]；建立帶式輸送機自適應控制系統，檢測電動機電流得到當前負載下最優控制方案[6]. 在這些研究的基礎上，針對帶式輸送機原皮帶張緊裝置存在的問題進行優化，分析并設計帶式輸送機啟動過程、運行過程以及停機過程張緊力自適應調節方案。

1 總體設計

帶式輸送機皮帶液壓張緊控制系統總體設計框圖見圖1，由設備裝置、傳感器組、變頻器組以及控制單元四部分組成。傳感器組的壓力、溫度、電流、張力傳感器安裝于帶式輸送機機身合適位置，周期性在線采集傳感器數據以掌握帶式輸送機張緊裝置的運行狀態并為控制單元提供邏輯控制依據。變頻器組用于自適應調節和控制張緊小車的運行速度，使得張緊力與負載自適應匹配。控制單元包括PLC控制器及其擴展模塊以及監控與調度中心，PLC控制系統接收到傳感器組數據后進行A/D轉換、軟件濾波，為控制張緊裝置提供數據依據；PLC控制系統以通訊模式與變頻器進行數據、指令交互，完成對變頻器的轉速/轉矩模式控制，同時接收變頻器運行狀態數據和故障信息；PLC控制器同時還需要處理安裝于帶式輸送機機身的復位按鈕、急停按鈕、制動器按鈕、離合器按鈕等數字量的處理；PLC控制器將傳感器組數據、按鈕數據以及變頻器組數據以通訊模式傳送給監控與調度中心，用于數據監控與調度。

2 硬件設計

帶式輸送機皮帶張緊控制系統的硬件部分主要包括PLC控制器及其擴展模塊、傳感器以及變頻器等。PLC控制器選用羅克韋爾的Compactlogix 1769-L3X系列，該控制器可實現低成本的分布式、實時控制系統，集成TCP/IP網絡接口、CAN通訊以及Modbus通訊接口，可直接與外部設備進行通訊；與之配套的電源型號為1769-PA2、擴展出的模擬量模塊為1769-IF4XOF2、數字量輸出模塊為1769-OB 16、數字量輸入模塊為1769-IQ. 用于檢測帶式輸送機輸送帶張緊力的張力傳感器選用TJL-7，量程為0～150 kN，靈敏度可達1.5 mV/V，該傳感器兩段采用圓環緊扣鋼絲繩的固定方式，以保證測量值的穩定和精確[7-9]. 用于檢測泵站壓力的壓力傳感器選用的型號為MIK-P-300，該傳感器具備IP65保護等級，具有阻燃防震耐沖擊的特點，測量精度可達±0.1%；當PLC控制器檢測到泵站壓力大于7.5 MPa時才可啟動泵站，當壓力小于5 MPa時，需重新啟動泵站。用于檢測輸送電動機電流的電流傳感器選用的型號為MIK-DJI-V1-B1，量程為0～100 A，輸出4～20 mA電流信號[10-12]. 設計的帶式輸送機皮帶張緊控制系統I/O地址分配見表1.

圖1 帶式輸送機皮帶液壓張緊控制系統總體設計框圖

3 軟件設計

帶式輸送機皮帶液壓張緊自適應控制軟件流程分為啟動過程、運行過程以及停機過程3部分，見圖2.

PLC控制器首先檢測并判斷是否接收到故障信號，如果接收到故障信號，則立即執行制動操作，將輸送帶張緊力調節至制動張緊力，待故障排除后增加制動張緊力至110%，并進入帶式輸送機啟動過程。PLC控制器接收到帶式輸送機啟動信號后，依次檢測液壓油箱油溫、液位、溫度、變頻信號、張緊力信號是否正常。傳感器信號正常且滿足啟動條件后，依次啟動冷卻系統、泵站系統、張緊絞車，同時周期性的檢測傳感器信號值。PLC控制器檢測實時張緊力是否達到帶式輸送機啟動張緊力值，如果沒有達到，則控制張緊絞車按照變頻器給定的頻率調節張緊力直至滿足啟動要求。當實時檢測的張緊力值滿足啟動要求后，啟動帶式輸送機。運行過程中，PLC控制器根據負荷的變化，實時調節帶式輸送機的張緊力值，使其在設定的張緊力誤差范圍內動態變化。

表1 帶式輸送機皮帶液壓張緊控制系統I/O地址分配表

在該過程中，為提高張緊力調節的實時性和準確性，采用RBF預測方法預測負載并根據預測的負載計算所需張緊力，達到根據負載自適應調節張緊力的目的。當帶式輸送機停機時，將制動器、離合器斷開，并調節張緊力至停機張緊力，基于變頻器的負載卸載量實時調節張緊力值。帶式輸送機停機并卸載完成后，保持停止張緊力。

4 應用分析

將優化設計的張緊控制系統進行實際應用，試驗用帶式輸送機主要技術參數見表2. 實際運行時，設定運行張緊力為70 kN，啟動張緊力為80 kN，停機張緊力為55 kN，張緊力允許誤差范圍為3 kN.

圖2 帶式輸送機張緊力自適應調節軟件流程圖

表2 帶式輸送機主要技術參數表

帶式輸送機負載變化時，根據負載預測結果計算下一時刻張緊力預測值。如果張緊力預測值與實際值的誤差超出3 kN時，啟動模糊PID自適應調節機制，對張緊力進行自適應調節，采集張緊力值并進行統計分析，根據公式(1)進行評價：

(1)

式中：

Fzs—張緊力預設值；

Fzc—張緊力實際值；

δz—張緊力預設值與實際值的相似度。

根據張緊力統計數據分析發現，δz達87.6%，當帶式輸送機負載發生變化時，張緊力自適應調節，可有效避免打滑、斷帶等故障發生，延長了帶式輸送機使用壽命。

5 結 論

優化后的帶式輸送機皮帶液壓張緊控制系統以PLC控制器為核心，根據負載變化自適應調節張緊絞車裝置，達到動態調節張緊力的目的。將帶式輸送機張緊力自適應調節過程分為啟動、運行以及停機3部分，可簡化張緊力自適應調節方案。優化后的張緊控制系統張緊力預測值與實際值的相似度可達87.6%，可有效降低張緊裝置故障發生率。