永磁直聯(lián)帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計分析

朱志康，王桂梅，劉杰輝，楊立潔

（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

1 研究的背景及意義

隨著煤礦工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶式輸送機(jī)向大功率、大運(yùn)量、長距離、高性能等方向發(fā)展，隨之而來的就是能耗的增大。隨著推進(jìn)煤炭行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，“節(jié)能減排”已成為煤炭行業(yè)發(fā)展的主流，很多煤炭企業(yè)都對高耗能設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改進(jìn)工作越來越重視。最佳能耗問題和控制模式是解決帶式輸送機(jī)耗能大的問題所在。

永磁直聯(lián)帶式輸送機(jī)與傳統(tǒng)帶式輸送系統(tǒng)相比，其結(jié)構(gòu)簡單，具有變頻調(diào)速功能、工作效率較高等優(yōu)點(diǎn)，在煤炭行業(yè)的應(yīng)用日益增長。但由于對于永磁直聯(lián)輸送機(jī)的先驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺失，對其運(yùn)行特性研究不夠深入，特別是復(fù)雜工況下運(yùn)行特性數(shù)據(jù)缺少，缺乏調(diào)速依據(jù)，即煤量與帶速、能耗之間的關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)速，永磁直聯(lián)帶式輸送機(jī)大部分高速運(yùn)行，空載、輕載時輸送帶的速度不調(diào)整，導(dǎo)致輸送機(jī)產(chǎn)生了大量無效能耗；另一方面，在煤礦現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和算法驗(yàn)證時，需使整個煤礦生產(chǎn)線處于停運(yùn)的狀態(tài)，由此所造成的經(jīng)濟(jì)損失無法估量。為了深入分析永磁直聯(lián)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中電機(jī)輸入輸出特性、煤運(yùn)量、皮帶運(yùn)行速度和功率之間的匹配關(guān)系，本文進(jìn)行永磁直聯(lián)帶式輸在線檢測實(shí)驗(yàn)平臺的研發(fā)。該實(shí)驗(yàn)平臺的研發(fā)對深入獲取永磁直聯(lián)帶式機(jī)運(yùn)行特性數(shù)據(jù)、驗(yàn)證各種控制算法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)永磁直聯(lián)輸送機(jī)的智能監(jiān)控具有重要意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[1]馮俊賓分析了帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)及運(yùn)量與帶速之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對變頻器的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速的功能，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于激光掃描儀的節(jié)能優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的節(jié)能調(diào)速。文獻(xiàn)[3]楊引鎖應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、模糊控制技術(shù)以及PLC控制技術(shù)，結(jié)合帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，提出了三種節(jié)能調(diào)速方案。與傳統(tǒng)的恒速運(yùn)行方案進(jìn)行對比，三種方案都能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

國外學(xué)者也對帶式輸送機(jī)節(jié)能控制做了大量的研究，文獻(xiàn)[4]Hans Lauhoff通過對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)DIN22101-2002進(jìn)行分析，對帶式輸送機(jī)進(jìn)行阻力運(yùn)算，根據(jù)“能量消耗率”，得出填充率在60%～100%，調(diào)節(jié)帶速達(dá)到節(jié)能是不確切的。文獻(xiàn)[5]Mathaba T考慮了電價臨界峰值下，輸送帶的帶速最優(yōu)調(diào)節(jié)問題，采用模型預(yù)測控制(MPC)對輸送帶運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對永磁直聯(lián)帶式輸送機(jī)研究較少，先驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失，對其運(yùn)行特性研究不夠深入。本文進(jìn)行永磁直聯(lián)輸送機(jī)在線檢測關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)永磁直驅(qū)帶式輸在線檢測實(shí)驗(yàn)平臺不僅可以降低現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所帶來的經(jīng)濟(jì)成本，還可以避免現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的潛在危險性，為永磁直聯(lián)帶式輸送系統(tǒng)的節(jié)能減耗研究提供了便利。因此，永磁直聯(lián)帶式輸送系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺的研發(fā)對實(shí)現(xiàn)永磁直聯(lián)帶式輸送機(jī)的節(jié)能優(yōu)化控制具有重要意義。

3 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計

永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺主要由永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)、模擬負(fù)載系統(tǒng)、參數(shù)測量與控制系統(tǒng)和中央控制與顯示系統(tǒng)組成。

3.1 永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)

該部分主要由三相永磁式同步電動機(jī)、變頻驅(qū)動控制器、電源控制柜及5000×800mm輸送帶組成。

采用變頻驅(qū)動控制器控制三相永磁式同步電動機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動輸送帶運(yùn)動，上位機(jī)采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)三相永磁式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確自動控制，進(jìn)行變頻調(diào)速，模擬物料的運(yùn)動、形態(tài)變化等。

通過冷卻系統(tǒng)對永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，保證該系統(tǒng)長期（不小于5h）穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 模擬負(fù)載系統(tǒng)

該部分主要由磁粉控制器、磁粉制動器、變頻驅(qū)動控制器、電源控制柜工業(yè)冷水機(jī)等組成模擬負(fù)載系統(tǒng)。

擬采用磁粉制動器實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)典型工況下（恒定載荷、突變載荷和連續(xù)變化載荷）物料負(fù)載的模擬，實(shí)現(xiàn)各典型工況負(fù)載的動態(tài)實(shí)時加載。

循環(huán)式工業(yè)冷水機(jī)具備良好的冷卻效果，并能實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)、制冷等，具有冷卻效果好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，故本項(xiàng)目擬采用工業(yè)冷水機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載系統(tǒng)的冷卻，以保障模擬負(fù)載系統(tǒng)長時間（不小于5h）穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 參數(shù)測量與控制系統(tǒng)

該部分主要由扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩轉(zhuǎn)速變送器、電流傳感器、電流變送器、電壓變送器、溫度傳感器、溫度變送器、振動傳感器、CCD測量模塊、信號隔離劑調(diào)理模塊、NI cDAQ信號采集設(shè)備、供電模塊組成。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 參數(shù)測量與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳測量。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采用一體式結(jié)構(gòu)，通過聯(lián)軸器安裝在三相永磁同步電動機(jī)和輸送帶之間，通過變送器將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成0～5V電壓，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)和磁粉制動器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的實(shí)時測量，并可反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)和磁粉制動器的PID精確控制。

（2）電流測量。電流傳感器采用霍爾式傳感器，通過變送器將電流信號轉(zhuǎn)換成0～5V電壓，實(shí)現(xiàn)變頻控制器、三相永磁同步電動機(jī)、磁粉制動器、電源控制柜電流大小的精確測量。并可反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)和磁粉制動器的PID控制調(diào)節(jié)。

（3）電壓測量。直接采用電壓變送器，將電壓信號轉(zhuǎn)換成0～5V電壓，實(shí)現(xiàn)變頻控制器、三相永磁同步電動機(jī)、磁粉制動器、電源控制柜電壓大小的精確測量。并可反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動了邏輯控制。

（4）溫度測量。采用貼片式溫度傳感器，安裝在被測體表面，配合溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號，實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動機(jī)、磁粉制動器溫度的精確測量。并可反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動了邏輯控制。

（5）振動測量。采用壓電加速度傳感器，安裝在被測體表面，實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動機(jī)、輸送系統(tǒng)振動信號的精確測量。通過振動信號可進(jìn)行永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺振動分析和控制。

（6）圖像信息測量。采用高精度CCD模塊，實(shí)現(xiàn)輸送帶上物料的三維幾何量測量，后續(xù)可進(jìn)行物料量估算。

上述六類信號的電壓模擬量通過信號隔離調(diào)理模塊，NIcDAQ多通道數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)字化后進(jìn)入計算機(jī)，通過開放的LabVIEW軟件編程可進(jìn)行存儲、實(shí)時顯示、性能參數(shù)計算以及數(shù)據(jù)集的構(gòu)建，以進(jìn)行后續(xù)的分析和模型驗(yàn)證。

3.4 中央控制與顯示系統(tǒng)

該部分包括永磁直驅(qū)帶式輸送控制軟件模塊、模擬負(fù)載控制軟件模塊、系統(tǒng)性能參數(shù)測量管理軟件模塊等組成。

（1）永磁直驅(qū)帶式輸送控制軟件模塊。LabVIEW開發(fā)，控制NI cDAQ的A/O模塊輸出控制信號，按照實(shí)驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)的自動控制。

（2）模擬負(fù)載控制軟件模塊。通過人機(jī)交互界面可以對工況的編輯，完成典型負(fù)載模擬；通過在其他環(huán)境下，編輯好工況曲線（N-t曲線），通過U盤導(dǎo)入工況文件數(shù)據(jù)，完成復(fù)雜工況下的負(fù)載模擬。

（3）系統(tǒng)性能參數(shù)測量管理軟件模塊。LabVIEW和NI-DAQmx開發(fā)；完成本實(shí)驗(yàn)平臺各參數(shù)（電壓、電流、溫度、振動、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、CCD圖像信息）的實(shí)時測量、波形顯示、回放、存儲、導(dǎo)入導(dǎo)出；并可根據(jù)用戶要求定制輸出；可完成本實(shí)驗(yàn)平臺輸入輸出功率、效率、節(jié)能參數(shù)等性能參數(shù)計算，繪制各種性能曲線；完成各典型工況下各模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的標(biāo)注、存儲、調(diào)用、導(dǎo)入、導(dǎo)出。

4 實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)的功能

具備5000×800mm物料的運(yùn)輸能力，能夠避免物料（如沙石等）的灑落。“模擬負(fù)載系統(tǒng)”能夠模擬永磁直驅(qū)帶式輸送系統(tǒng)的典型工況，如恒定載荷、突變載荷和連續(xù)變化載荷，實(shí)現(xiàn)各典型工況負(fù)載的動態(tài)實(shí)時加載。且載荷曲線（N-t曲線）可按要求任意編輯，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況的模擬加載。

在線參數(shù)測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)永磁直驅(qū)帶式輸送帶、模擬負(fù)載系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)各性能參數(shù)（如：溫度、振動、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率及煤量圖像）的測量與計算、波形/數(shù)值顯示、波形測量、數(shù)據(jù)存儲、回放、導(dǎo)入導(dǎo)出等。

實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電動機(jī)運(yùn)動狀態(tài)的控制、模擬負(fù)載系統(tǒng)的控制、水冷系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，并根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全控制和預(yù)警，確保運(yùn)行安全。

控制及測試支持LabVIEW或其他軟件二次開發(fā)，系統(tǒng)各部分具備通訊或控制接口，支持程控調(diào)用配置，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各典型工況下各模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集的建立和管理，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，便于第三方軟件或程序的調(diào)用。

總體架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺總體架構(gòu)圖

5 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)永磁直驅(qū)帶式輸送機(jī)各性能曲線及其參數(shù)的在線檢測，具有較高的應(yīng)用研究價值,有利于更深入地掌握永磁帶式輸送機(jī)的輸入輸出特性，進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化控制。