帶式輸送機液壓張緊自動化控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

任虎云

(山西錦興能源有限公司 肖家洼煤礦，山西 呂梁 033000)

0 引 言

在礦井開采過程中，礦山設(shè)備及其關(guān)鍵，帶式輸送機作為礦井運輸物料及煤炭的設(shè)備，其工作性能在很大程度上制約著煤炭資源的開采。隨著開采量的不斷加大，目前我國的帶式輸送機逐步向著大運距、大容量、高速度的方向發(fā)展，單條帶式輸送機的運輸距離已經(jīng)達到10 km，運量也超過5 000 t/h。在帶式輸送機運行過程中，由于工況環(huán)境及運載重量等因素的影響，使得其在運輸過程中及不穩(wěn)定，常常出現(xiàn)膠帶斷裂、跳帶等問題，因此提出一款液壓張緊自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案[1]，通過分析帶式輸送機不同工況下的張緊力，設(shè)計了帶式輸送機液壓張緊自動控制系統(tǒng)，能夠達到根據(jù)載重自動調(diào)速的目的，為帶式輸送機正常高效運行提供保障。

1 液壓張緊系統(tǒng)設(shè)計分析

張緊系統(tǒng)在帶式輸送機中的應(yīng)用十分廣泛和重要，目前現(xiàn)有的張緊裝置大多存在響應(yīng)速度慢和張力低等問題，無法滿足現(xiàn)階段礦井運輸要求，通過采用液壓張緊系統(tǒng)能夠?qū)埦o力進行實時調(diào)整，可以解決張緊裝置響應(yīng)速度慢及張力低的問題。

1.1 張緊系統(tǒng)工作原理

液壓張緊系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓油在缸內(nèi)形成壓力，通過氣缸的鋼絲繩對帶式輸送機傳輸牽引張力，同時系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置PLC控制端，其通過接收傳感器傳輸?shù)倪\行數(shù)據(jù)進行實時分析，達到根據(jù)輸送機操作條件調(diào)節(jié)張力的作用。液壓張緊系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度快，信號處理靈活等優(yōu)點，適用于高負載運行。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

液壓張緊系統(tǒng)由多個部分組建而成，其中較為主要有電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，通過系統(tǒng)本身的PLC控制端及機械、液壓、電氣間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)由集中控制箱控制不同張力信號，同時系統(tǒng)給出控制信號，實現(xiàn)機械及液壓部件的自動控制。液壓系統(tǒng)作為張緊系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部分，其由不同的元件及部分組合而成，其中最為主要的有液壓泵站、換向閥等[2]。液壓泵站模型圖如圖1所示。

(1) 液壓油箱 液壓油箱的設(shè)計選用帶有呼吸氣囊和呼吸閥的閉式設(shè)計油箱，避免油液與污濁空氣進行接觸，保證油液的清潔。泵站采用集成閥塊，通過疊加布置形式保證后期拆裝方便。油箱選用316L型不銹鋼進行制作，同時設(shè)置護罩，適應(yīng)礦井惡劣的工況環(huán)境。在油箱的下部設(shè)置蓄能器，有效降低占地面積。在油箱內(nèi)設(shè)有加熱器，確保在低溫情況下仍能正常運行。

圖1 液壓泵站模型圖

(2) 比例溢流閥 比例溢流閥是液壓系統(tǒng)最重要的元件，通過控制器控制比例溢流閥，起到調(diào)節(jié)油壓，自動調(diào)節(jié)張力的作用。比例溢流閥設(shè)計為錐形閥，通過比例電磁鐵進行驅(qū)動，電磁鐵充滿油并連接至端口時，當油量較少時仍能保證恒定運行，同時通過調(diào)節(jié)放大控制壓力實現(xiàn)電磁鐵的電流調(diào)整。比例溢流閥通過改變放大板上的指令值調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。當指令變化值發(fā)生變化時，此時放大板會改變PWM(脈寬調(diào)制)，實現(xiàn)電磁鐵的電流控制，比例電磁鐵會將電流轉(zhuǎn)為機械能，再通過電樞稍直接作用于彈簧上。達到自動控制。

(3) 液壓泵 液壓泵選擇軸向柱塞變量泵，液壓泵的參數(shù)可根據(jù)液壓系統(tǒng)需要的張力進行計算獲得，通過選用這種液壓泵可以達到輸出流量與輸出速度及泵排量的比例關(guān)系。輸出流量可從零到最大值無級調(diào)節(jié)，同時采用模糊控制及PID控制，使液壓張緊速度更快且更穩(wěn)定。馬達同樣選擇軸向柱塞定量馬達，其適用于移動機械，隨著高壓側(cè)與低壓側(cè)的壓力差而調(diào)節(jié)扭矩，其結(jié)構(gòu)較為緊湊，啟動扭矩效率高。

1.3 電氣元件選型

基于帶式輸送機張緊系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)過程的特性，選擇液壓張緊系統(tǒng)的電氣元件，電氣系統(tǒng)是帶式輸送機液壓張緊自動控制系統(tǒng)的重要組成部件。在進行電氣系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮防爆特性，設(shè)計一款防爆型控制箱，控制箱的內(nèi)部主要觸摸屏、輸入輸出繼電器、電機保護、接觸器以及電源組成。其中控制箱中PLC為關(guān)鍵元件，其主要用于采集傳感器的數(shù)據(jù)，如溫度、速度、電壓等參數(shù)。根據(jù)收集反饋的數(shù)據(jù)對液壓站電機、比例閥、電磁閥進行控制，同時通過對皮帶發(fā)出控制作用，從而達到控制皮帶的作用[2]。電控系統(tǒng)控制框架圖如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)控制框架圖

控制箱由于在井下進行工作，其處于易燃易爆粉塵中，選定防爆殼體，在控制箱的內(nèi)部面板上設(shè)計多個按鈕控制張緊系統(tǒng)，控制面板上帶有液晶顯示屏，實時觀察及監(jiān)測帶式輸送機的運行情況及運行參數(shù)情況。PLC為控制箱的核心，綜合考慮后選定S7-1200型控制器，其具有如下優(yōu)點：①指令處理速度快，能夠滿足高需求；②集成多種通信接口，如PROFIBUS、MPI；③具有高速計算輸出模塊及伺服定位控制I/O模塊；④能夠自行組態(tài)，可以根據(jù)操作人員要求進行選擇安裝；⑤硬件設(shè)計較為緊湊，節(jié)省控制柜的空間；⑥集成的PROFINET接口能夠用于PLC的編程，HMI通信。接口配置專用的RJ45連接器，能夠提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時能夠支持多種協(xié)議如TCP/IPnative、S7通信等[3]。

控制箱的液晶顯示器選用TPC 7062Ti觸摸屏，顯示器與控制器通過以太網(wǎng)進行連接，可以監(jiān)控張緊系統(tǒng)的各個參數(shù)，同時將部分重要的張緊數(shù)據(jù)附加于PLC，使得張緊系統(tǒng)能夠更好的解決帶式輸送機出現(xiàn)的情況。液晶顯示器設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 液晶顯示器設(shè)置界面圖

TPC7062Ti觸摸屏屬于MCGS嵌入版。主要顯示由PLC對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，同時用與監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)。觸摸屏能夠與其他硬件設(shè)備進行連接，同時TPC7062Ti擁有先進的Cortex-A8 CPU。顯示屏主要應(yīng)用了TFT液晶顯示屏，搭配四線電阻式觸摸屏，分辨率為4 096×4 096，并且裝配了專用的MCGS嵌入式組態(tài)工具。內(nèi)部設(shè)置有參數(shù)設(shè)置窗口，對不同的帶式輸送機工況下的參數(shù)進行調(diào)整。

2 仿真模擬分析

系統(tǒng)仿真(System Simulation)就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息的一種手段，采用Matlab對液壓系統(tǒng)進行仿真分析并觀察其系統(tǒng)穩(wěn)定性。液壓系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 仿真階躍響應(yīng)曲線

由圖4可以看出，液壓系統(tǒng)的單位躍階響應(yīng)初始時間為0.66 s，此時系統(tǒng)輸出張力，響應(yīng)速度較快，同時經(jīng)過8.52 s時，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出張力1.36 kN，系統(tǒng)達到穩(wěn)定。所以設(shè)計的液壓張緊系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，能夠滿足礦井生產(chǎn)需求，可以應(yīng)用于礦井帶式輸送機[4]。

3 應(yīng)用效果分析

原有輸送機的運輸長度為2 400 m，針對其機械張緊方式,張緊力低、張緊距離短造成的打滑等問題，設(shè)計了型號為DYL-01-6/15自動控制液壓張緊裝置，目前最大的張緊行程可以達到8 000 mm，最大張緊力能夠達到150 kN。張緊裝置目前已經(jīng)使用一年，其運行良好,并未再出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象,滿足運輸需要。帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)

4 結(jié) 語

設(shè)計帶式輸送機液壓張緊自動控制系統(tǒng)，首先介紹了帶式輸送機液壓的張緊自動控制系統(tǒng)的總體組成，給出系統(tǒng)液壓部分的設(shè)計，對液壓設(shè)備的選擇及液壓設(shè)備特點、液壓設(shè)備工作原理等進行分析。同時介紹了液壓張緊自動控制系統(tǒng)的電氣部分設(shè)計方案，對核心元件PLC和觸摸屏進行選型，最后通過仿真分析及應(yīng)用驗證了所設(shè)計的液壓張緊系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，能夠滿足礦井生產(chǎn)需求。