礦用帶式輸送機多電機智能控制系統的設計與應用研究

田 晶，羅立川

(1.廣東嶺南職業技術學院 智能制造學院，廣東 廣州 510663； 2.廣州市金峰機械科技有限公司，廣東 廣州 510000)

帶式輸送機是煤礦開采過程中重要的運輸裝備，其運輸過程的穩定性以及運輸效率會對整個煤礦開采過程和效率產生重要影響[1]。受煤礦開采技術水平的限制，以往我國煤礦使用的帶式輸送機多數為單電機驅動[2]。但隨著煤礦領域技術水平以及對煤礦開采效率要求的不斷提升，目前單電機驅動的帶式輸送機已經無法滿足實際使用需要，很多煤礦已經開始使用多電機驅動的帶式輸送機[3]。多個電機可以提供更大的動力，顯著提升設備運行效率，延長輸送距離[4]。但是多電機驅動模式在實踐中存在電機功率平衡問題，如果控制不當會導致電機輸出不協調，降低設備運行穩定性，縮短設備使用壽命[5]。基于此，有必要針對帶式輸送機多電機之間的功率協調問題進行分析，設計多電機協調控制系統，實現電機之間的功率平衡，提升設備運行穩定性[6]。本文主要針對此問題進行研究，對于提升帶式輸送機的性能、保障煤礦開采效率具有一定的意義。

1 帶式輸送機概述

本文以某煤礦使用的DTL120/200/3×630型帶式輸送機為研究對象，對多電機協調控制系統進行研究。DTL120/200/3×630型帶式輸送機的整體結構如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機主要由傳動滾筒、改向滾筒、托輥、輸送帶、拉緊裝置以及給料裝置等部分構成。其中，傳動滾筒的作用是接收電機輸出的動力，并通過滾筒與輸送帶之間的摩擦力帶動輸送帶作往復運動；改向滾筒的作用是改變輸送帶的運動方向；拉緊配重裝置的作用是將輸送帶拉緊，確保其與滾筒之間緊密接觸，防止發生打滑的現象。

圖1 帶式輸送機整體結構示意

工程案例中，由于煤礦物料的輸送距離相對較長，超過了3 700 m，需要同時使用多臺電機進行驅動。所述型號帶式輸送機共通過3臺電機同時進行驅動，每臺電機的功率均為630 kW。其中，2臺電機位于機頭部位，1臺電機位于機尾部分。多電機驅動有效解決了帶式輸送機動力不足的問題，但如何保障多個電機之間的功率協調是控制系統需要重點解決的問題。

2 多電機協調控制系統整體結構設計

2.1 整體方案設計

在深入分析DTL120/200/3×630型帶式輸送機電機驅動方式的基礎上，對其多電機協調控制方案進行設計研究，多電機協調控制系統整體方案如圖2所示。控制系統為每臺電機配備了1臺變頻器，通過變頻器可以將固定的電源頻率輸出為不同電壓頻率的電源，然后給電機供電。電機輸出轉速與其供電頻率之間存在比例關系，通過對變頻器輸出電源頻率大小的控制，進而可以實現對電機輸出轉速的控制。

圖2 多電機協調控制系統整體方案框圖

2.2 控制策略分析

帶式輸送機中所有的電機使用同一套供電系統，電機輸入電壓可以保持一致。在電壓相同的情況下，電機的電流就可以很好地反映其運行功率大小。所以，系統中基于電流方法對3臺電機進行協調控制。帶式輸送機運行過程中，通過電流互感器對3臺電機的電流大小進行實時檢測，檢測結果輸入到控制器中進行分析。控制器首先對3臺電機的平均電流值進行計算，然后基于該平均值利用差值法對3臺電機的輸出轉速進行控制。如果檢測發現電機的運行電流大于平均電流，系統會下達控制指令，降低變頻器的電源輸出頻率，進而減小電機的輸出轉速；相反，如果檢測發現電機的運行電流小于平均電流，系統會對變頻器進行控制，增加輸出電源的頻率，進而增大電機的輸出轉速。通過以上調節控制策略，直到3臺電機的運行電流達到協調平衡。

2.3 啟動和制動方式的選擇

帶式輸送機在啟動階段或者制動階段如果只是簡單的采用硬啟動或硬制動的方式，必然會對設備造成比較大的沖擊，特別是在特殊情況下進行重載自動或者重載啟動時，這種沖擊會更大，給帶式輸送機造成不可挽回的損傷，從而加大設備運行時的故障率。為了避免以上問題的出現，可以采用軟啟動的方式。設備進行啟動。目前針對軟啟動的具體模式，專家和學者開展了大量的研究，提出了多種啟動模式。其中，比較常見的包括拋物線形啟動模式、正弦形啟動模式和S曲線形啟動模式。通過對不同啟動模式的比較分析發現，S曲線形啟動模式在實踐中取得了更好的效果，能夠最大限度地降低啟動過程對設備造成的沖擊。所以，研究中采用S曲線形啟動模式對帶式輸送機進行啟動，該過程需要依賴控制系統來實現。S曲線形啟動模式中膠帶速度的變化曲線如圖3所示。

圖3 S曲線形啟動模式中膠帶速度的變化曲線

2.4 控制方法的選擇

系統選用先進的PID控制技術對帶式輸送機多電機之間的協調運行情況進行控制。其中P、I、D分別表示比例環節、積分環節和微分環節，分別用于糾正偏差、消除系統的穩態誤差、降低系統的超調量，以提升控制系統整體的穩定性。基于PID技術的控制過程基本原理如圖4所示。由圖4可以看出，該控制系統屬于閉環控制系統，具有更高的控制精度。基于PID控制技術還可以確保控制過程的穩定性。

圖4 基于PID技術的控制過程基本原理

圖4中，r(t)表示系統或者人為給定的電機平均運行電流值，f(t)表示電機運行過程中的實際電流值，e(t)表示實際電流值與平均電流值之間的差值，u(t)表示控制器經過分析計算后給出的電流調整量。變頻器根據該調整量對輸出的電源頻率進行控制，進而實現電機速度的調整。

3 控制系統的硬件和軟件設計

3.1 系統的硬件設計

由于整個協調控制系統涉及到很多方面的硬件，以下主要針對主要的變頻器、控制器以及網絡硬件進行詳細介紹。

(1)變頻器設計。本控制系統中選用S120型變頻器，該型號變頻器在工業領域有非常廣泛的應用。變頻器工作時，輸入的電源頻率為50 Hz，輸出的電源頻率可以根據實際需要在0～120 Hz內調整。控制系統可以基于內置的S曲線形啟動模式對帶式輸送機的啟動過程進行精確控制，避免設備啟動過程出現過大的沖擊，尤其是重載啟動時產生的沖擊。

S120型變頻器控制方案如圖5所示。速度給定和功率平衡給定全部由控制器完成，變頻器與控制器之間通過Profibus方式實現。速度給定時可以直接按照系統中內置的速度進行控制，稱為自動控制模式；特殊情況下，也可通過人工方式在觸摸屏中進行設定，稱為人工控制模式。

圖5 S120型變頻器控制方案

基于變頻器不僅可以實現電機之間的協調控制，還可以實現帶式輸送機的軟啟動和軟制動，按照S曲線形啟動模式對電機的運行速度進行控制，實現對設備的啟動和制動過程的精確控制。要求啟動和制動過程中，輸送帶的加速度控制在0.08 m/s2范圍以內。

煤礦開采過程中，有時煤礦開采效率相對較低，產煤量相對較少，大型帶式輸送機很多時候都需要實現輕載運行[7]。在這種工況條件下，如果帶式輸送機仍然以額定的速度進行工作，那么就會發生“大馬拉小車”的現象，不僅導致電力能源浪費問題，還會加速設備的磨損，增加維護保養成本。基于S120型變頻器，可以根據帶式輸送機實際運行情況，對其輸送速度進行調整，以適應實際的輸出量。這種措施可以確保設備運行效率的同時，達到節省電力能源、降低設備零部件磨損的效果。

(2)控制器的設計。隨著工業領域的發展，自動化水平的不斷提升，目前PLC控制器在各行各業都有非常廣泛的應用[8]。市場上有多種型號的PLC產品，S7-300型PLC控制器的應用最為廣泛，已經過實踐檢驗，具有很好的應用效果，不僅成本低、應用靈活性強，且具有很高的可靠性。所以本文設計的控制系統中，選用S7-300型PLC控制器。

S7-300型PLC控制器采用模塊化設計，整個結構通過不同的模塊進行組裝，不同模塊之間完全相互獨立，可以隨意更換。S7-300型PLC控制器的硬件構成如圖6所示。圖6中，PS表示電源模塊，CPU表示中央處理器模塊，IM表示接口模塊，SM表示數字量輸入輸出信號模塊，CP表示通信模塊。該型號PLC控制器可以通過MPI網接口實現與其他硬件設施的連接。

圖6 S7-300型PLC控制器的硬件構成

S7-300型PLC控制器在實踐應用中表現出了很好的優勢，其指令計算速度可以控制在0.1～0.6 μs內，性能強勁。控制器已經集成了很多的功能，減小了人工編程量，運行過程中可以對自身產生的故障進行自動診斷，并對相關的故障問題進行記錄。

(3)協調控制系統的網絡構成。為了保障協調控制系統運行時的性能，每個變頻器都使用了1個PLC控制器，并且3個控制器之間通過光纖模塊利用光纖網絡進行連接，而PLC控制器與變頻器之間通過通信電纜進行連接，基于Profibus-DP方式實現數據信息的交互。

多電機協調控制系統的網絡連接如圖7所示。變頻器運行過程中產生的工作信號以及故障信號都會傳入到PLC控制器中進行分析，PLC控制器基于CPU 315-2DP模塊與變頻器進行連接。基于CP 342-5模塊與光纖模塊進行連接，實現不同PLC控制器之間的數據交互，需要交互的數據包括電機運行時的電流、電壓、轉速及轉矩等。

3.2 系統的軟件設計

對于控制系統而言，各項硬件設施是基礎，而軟件是實現硬件各項功能的重要保障，所以軟件設計也是控制系統設計中非常重要和關鍵的環節[9]。帶式輸送機多電機協調控制系統運行過程中的總程序流程如圖8所示。由圖8可知，系統啟動以后，首先判斷設備是否正常開車。如果發現設備沒有正常開車，則需要立即停止運行。如果判斷正常開車，則啟動變頻器以及控制器等硬件設施。當需要對帶式輸送機進行停機時，如果是正常停機就按正常程序完成相關操作即可。控制系統還提供了緊急停車程序，方便緊急情況下對帶式輸送機進行緊急制動處理，保證設備運行的安全性。

系統在正常運行時有2種控制模式，分別為自動控制模式和就地人為控制模式。在自動控制模式下無需人為操作，系統會按照系統設置的運行速度，對各個電機的運行速度進行協調控制，確保三臺電機之間的功率平衡。就地控制模式通常是在對帶式輸送機進行維護保養時才會使用。

4 應用效果分析

在沒有使用多電機協調控制系統之前，帶式輸送機的3臺電機之間難以保持平衡，而是處于一種不協調的狀態[10]。未使用多電機協調控制系統前電機電流的變化情況如圖9所示。從圖9中可以明顯看出，3臺電機運行過程中的電流值出現了非常大的波動，并且電機之間的電流差異非常明顯。電流的差異意味著電機運行功率的差異。位于帶式輸送機機頭部位的M1和M2電機電流相對較小，位于機尾部分的M3電機電流相對較大，且差距很大。過大的電流可能會超過電機的額定電流值，導致電機出現燒毀的現象，影響電機的使用壽命。

圖9 未使用多電機協調控制系統前電機電流的變化情況

為了解決DTL120/200/3×630型帶式輸送機3臺電機之間運行不協調的問題，將設計的協調控制系統應用到帶式輸送機工程實踐中，并對其實際應用效果進行的實踐測試。使用多電機協調控制系統后帶式輸送機3臺電機電流的變化情況如圖10所示。由圖10可知，3臺電機對應的電流變化曲線基本上是一致的，說明它們之間的協調性得到明顯改善，電機電流值的波動幅度也較小，為150～170 A，電機之間電流差值幾乎可以忽略不計。

圖10 使用多電機協調控制系統后電機電流的變化情況

綜上所述，通過協調控制系統的實現測試，發現各項功能基本達到了預期效果，能夠對3臺電機之間的協調性進行有效控制，保障不同電機之間的功率平衡。

多電機協調控制系統的成功實踐應用，顯著提升了帶式輸送機運行過程的可靠性和穩定性，特別是保障了電機的運行穩定性，為延長電機的使用壽命奠定了良好的基礎。另一方面，基于協調控制系統可以實現帶式輸送機啟動過程和制動過程的軟啟動或軟制動，有效規避了啟動和制動過程對設備造成的沖擊，降低了設備的故障率，減小了設備運行過程的維護、保養以及故障維修成本。總之，該系統的實踐應用為煤礦企業創造了良好的經濟效益，獲得了企業相關技術人員和基層工作人員的一致認可。

5 結論

本文主要以DTL120/200/3×630型帶式輸送機為研究對象，對多電機協調控制系統進行了設計和研究，所得結論主要包含以下幾個方面。

(1)多電機驅動的帶式輸送機雖然能夠提供更大的動力，但是在啟動、制動和運行過程中，如何保障多電機之間的協調性是急需解決的問題。如果電機之間無法保持協調一致，會影響設備運行的穩定性，還會縮短電機使用壽命。

(2)基于PLC控制器和S120型變頻器，設計了多電機協調控制系統。不僅可以實現帶式輸送機的軟啟動和軟制動，避免啟動和制動過程對設備造成沖擊，還可以確保啟動、制動和運行過程中3臺電機之間的協調性。

(3)將設計的多電機協調控制系統應用到DTL120/200/3×630型帶式輸送機工程實踐中，對其應用效果進行了實踐測試，發現整體運行良好。電機之間的協調運行情況得到了很好的保障，創造了很好的經濟效益。