永磁直聯帶式輸送機實驗平臺的設計分析

朱志康，王桂梅，劉杰輝，楊立潔

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056000）

1 研究的背景及意義

隨著煤礦工業技術的迅速發展，帶式輸送機向大功率、大運量、長距離、高性能等方向發展，隨之而來的就是能耗的增大。隨著推進煤炭行業循環經濟，“節能減排”已成為煤炭行業發展的主流，很多煤炭企業都對高耗能設備的節能技術改進工作越來越重視。最佳能耗問題和控制模式是解決帶式輸送機耗能大的問題所在。

永磁直聯帶式輸送機與傳統帶式輸送系統相比，其結構簡單，具有變頻調速功能、工作效率較高等優點，在煤炭行業的應用日益增長。但由于對于永磁直聯輸送機的先驗數據的缺失，對其運行特性研究不夠深入，特別是復雜工況下運行特性數據缺少，缺乏調速依據，即煤量與帶速、能耗之間的關系，無法實現精準調速，永磁直聯帶式輸送機大部分高速運行，空載、輕載時輸送帶的速度不調整，導致輸送機產生了大量無效能耗；另一方面，在煤礦現場進行實驗數據采集和算法驗證時，需使整個煤礦生產線處于停運的狀態，由此所造成的經濟損失無法估量。為了深入分析永磁直聯帶式輸送機在運行過程中電機輸入輸出特性、煤運量、皮帶運行速度和功率之間的匹配關系，本文進行永磁直聯帶式輸在線檢測實驗平臺的研發。該實驗平臺的研發對深入獲取永磁直聯帶式機運行特性數據、驗證各種控制算法，進一步實現永磁直聯輸送機的智能監控具有重要意義。

2 國內外研究現狀

文獻[1]馮俊賓分析了帶式輸送機的控制系統及運量與帶速之間的關系，進而實現對變頻器的設計，實現帶式輸送機變頻調速的功能，達到節能降耗的目標。文獻[2]提出了一種基于激光掃描儀的節能優化控制策略，實現了帶式輸送機的節能調速。文獻[3]楊引鎖應用變頻調速技術、模糊控制技術以及PLC控制技術，結合帶式輸送機的實際運行工況，提出了三種節能調速方案。與傳統的恒速運行方案進行對比，三種方案都能達到節能降耗的目的。

國外學者也對帶式輸送機節能控制做了大量的研究，文獻[4]Hans Lauhoff通過對設計標準DIN22101-2002進行分析，對帶式輸送機進行阻力運算，根據“能量消耗率”，得出填充率在60%～100%，調節帶速達到節能是不確切的。文獻[5]Mathaba T考慮了電價臨界峰值下，輸送帶的帶速最優調節問題，采用模型預測控制(MPC)對輸送帶運行進行優化。

綜上所述，國內外學者對永磁直聯帶式輸送機研究較少，先驗數據缺失，對其運行特性研究不夠深入。本文進行永磁直聯輸送機在線檢測關鍵技術研究，研發永磁直驅帶式輸在線檢測實驗平臺不僅可以降低現場進行實驗所帶來的經濟成本，還可以避免現場實驗的潛在危險性，為永磁直聯帶式輸送系統的節能減耗研究提供了便利。因此，永磁直聯帶式輸送系統的實驗平臺的研發對實現永磁直聯帶式輸送機的節能優化控制具有重要意義。

3 實驗平臺的設計

永磁直驅帶式輸送系統實驗平臺主要由永磁直驅帶式輸送系統、模擬負載系統、參數測量與控制系統和中央控制與顯示系統組成。

3.1 永磁直驅帶式輸送系統

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

采用變頻驅動控制器控制三相永磁式同步電動機，進而驅動輸送帶運動，上位機采用PID控制算法實現三相永磁式同步電動機轉速和轉矩的精確自動控制，進行變頻調速，模擬物料的運動、形態變化等。

通過冷卻系統對永磁直驅帶式輸送系統進行冷卻，保證該系統長期（不小于5h）穩定運行。

3.2 模擬負載系統

該部分主要由磁粉控制器、磁粉制動器、變頻驅動控制器、電源控制柜工業冷水機等組成模擬負載系統。

擬采用磁粉制動器實現永磁直驅帶式輸送系統典型工況下（恒定載荷、突變載荷和連續變化載荷）物料負載的模擬，實現各典型工況負載的動態實時加載。

循環式工業冷水機具備良好的冷卻效果，并能實現冷卻水循環、制冷等，具有冷卻效果好、成本低的優點，故本項目擬采用工業冷水機實現模擬負載系統的冷卻，以保障模擬負載系統長時間（不小于5h）穩定運行。

3.3 參數測量與控制系統

該部分主要由扭矩轉速傳感器、扭矩轉速變送器、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、信號隔離劑調理模塊、NI cDAQ信號采集設備、供電模塊組成。結構圖如圖1所示。

圖1 參數測量與控制系統結構圖

（1）轉速轉矩傳測量。轉速轉矩傳感器采用一體式結構，通過聯軸器安裝在三相永磁同步電動機和輸送帶之間，通過變送器將轉速轉矩轉換成0～5V電壓，實現驅動電機和磁粉制動器轉速和轉矩的實時測量，并可反饋給控制系統，實現驅動電機和磁粉制動器的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換成0～5V電壓，實現變頻控制器、三相永磁同步電動機、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，實現驅動電機和磁粉制動器的PID控制調節。

（3）電壓測量。直接采用電壓變送器，將電壓信號轉換成0～5V電壓，實現變頻控制器、三相永磁同步電動機、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，實現自動了邏輯控制。

（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換成0～5V電壓信號，實現三相永磁同步電動機、磁粉制動器溫度的精確測量。并可反饋給控制系統，實現自動了邏輯控制。

（5）振動測量。采用壓電加速度傳感器，安裝在被測體表面，實現三相永磁同步電動機、輸送系統振動信號的精確測量。通過振動信號可進行永磁直驅帶式輸送系統實驗平臺振動分析和控制。

（6）圖像信息測量。采用高精度CCD模塊，實現輸送帶上物料的三維幾何量測量，后續可進行物料量估算。

上述六類信號的電壓模擬量通過信號隔離調理模塊，NIcDAQ多通道數據采集模塊數字化后進入計算機，通過開放的LabVIEW軟件編程可進行存儲、實時顯示、性能參數計算以及數據集的構建，以進行后續的分析和模型驗證。

3.4 中央控制與顯示系統

該部分包括永磁直驅帶式輸送控制軟件模塊、模擬負載控制軟件模塊、系統性能參數測量管理軟件模塊等組成。

（1）永磁直驅帶式輸送控制軟件模塊。LabVIEW開發，控制NI cDAQ的A/O模塊輸出控制信號，按照實驗要求實現永磁直驅帶式輸送系統的自動控制。

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

（3）系統性能參數測量管理軟件模塊。LabVIEW和NI-DAQmx開發；完成本實驗平臺各參數（電壓、電流、溫度、振動、轉矩、轉速、CCD圖像信息）的實時測量、波形顯示、回放、存儲、導入導出；并可根據用戶要求定制輸出；可完成本實驗平臺輸入輸出功率、效率、節能參數等性能參數計算，繪制各種性能曲線；完成各典型工況下各模型訓練數據集和測試數據集的標注、存儲、調用、導入、導出。

4 實驗平臺實現的功能

具備5000×800mm物料的運輸能力，能夠避免物料（如沙石等）的灑落。“模擬負載系統”能夠模擬永磁直驅帶式輸送系統的典型工況，如恒定載荷、突變載荷和連續變化載荷，實現各典型工況負載的動態實時加載。且載荷曲線（N-t曲線）可按要求任意編輯，以實現復雜工況的模擬加載。

在線參數測量系統能夠實現永磁直驅帶式輸送帶、模擬負載系統和水冷系統各性能參數（如：溫度、振動、電流、電壓、轉速、轉矩、功率及煤量圖像）的測量與計算、波形/數值顯示、波形測量、數據存儲、回放、導入導出等。

實驗臺控制系統能夠實現永磁同步電動機運動狀態的控制、模擬負載系統的控制、水冷系統的監測與控制，并根據運行狀態進行安全控制和預警，確保運行安全。

控制及測試支持LabVIEW或其他軟件二次開發，系統各部分具備通訊或控制接口，支持程控調用配置，并且能夠實現各典型工況下各模型訓練數據集和測試數據集的建立和管理，并提供統一的數據接口，便于第三方軟件或程序的調用。

總體架構設計如圖2所示。

圖2 實驗平臺總體架構圖

5 結語

本實驗臺能夠實現永磁直驅帶式輸送機各性能曲線及其參數的在線檢測，具有較高的應用研究價值,有利于更深入地掌握永磁帶式輸送機的輸入輸出特性，進行節能優化控制。