雙機(jī)非同軸驅(qū)動鋼絲繩牽引膠帶機(jī)的控制策略＊

張亦龍 ， 曹喜生 ， 楊治山

（1．天水電氣傳動研究所集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741020；2．大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，甘肅 天水 741020）

雙機(jī)非同軸驅(qū)動鋼絲繩牽引膠帶機(jī)是膠帶雙側(cè)鋼絲繩分別纏繞在各自的滾筒上作為牽引繩，傳送膠帶作為承載構(gòu)件，兩臺電機(jī)通過各自的減速器驅(qū)動滾筒為傳送帶提供牽引力的帶式輸送機(jī)。它具有運輸距離遠(yuǎn)、運輸能力強(qiáng)、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在煤炭、冶金等各個領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，正朝著傳輸長距離、大運量、高速度、大傾角的方向發(fā)展。

如圖1所示，雙機(jī)非同軸驅(qū)動鋼絲繩牽引作為膠帶機(jī)的一種驅(qū)動系統(tǒng)，它由兩臺電動機(jī)和兩套驅(qū)動器、潤滑站、液壓站、控制及保護(hù)裝置構(gòu)成。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來講，雙機(jī)驅(qū)動的鋼絲繩牽引膠帶機(jī)往往采取滾筒不直聯(lián)的形式。這種膠帶機(jī)的負(fù)載特點是，兩側(cè)牽引鋼絲繩纏繞在膠帶機(jī)頭兩側(cè)，每根鋼絲繩上張力的大小和方向取決于單側(cè)膠帶機(jī)頭上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化及鋼絲繩的形變，而兩側(cè)機(jī)頭上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由于膠帶張緊程度及膠帶承載隨機(jī)變化而不斷變化。因此，作用于兩臺驅(qū)動滾筒（Main BR）上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩受多個變量或因素的影響并不同步，若采取滾筒直聯(lián)的方式，兩條鋼絲繩上的張力會嚴(yán)重不均衡發(fā)生頻繁變化的情況，引起兩臺滾筒連接軸的扭振現(xiàn)象或?qū)︿摻z繩及其他機(jī)械造成損傷。在停機(jī)過程中，兩臺滾筒的制動閘指令雖是同時發(fā)出，但由于機(jī)械方面的原因不可能同時抱閘制動，即使同時抱閘也不可能在完全相同的制動距離下停車，因而幾乎每次停機(jī)都會造成兩條鋼絲繩張力差異的出現(xiàn)。這種情況發(fā)生后，在下次開機(jī)時必須根據(jù)鋼絲繩張力差異執(zhí)行張力預(yù)調(diào)整過程。綜上所述，這種結(jié)構(gòu)的膠帶機(jī)滾筒不能采用機(jī)械軸硬聯(lián)結(jié)的方式，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制。

圖1 鋼絲繩牽引膠帶機(jī)模型圖

隨著膠帶機(jī)傳輸距離的增長、傳輸負(fù)載的增大、負(fù)載擾動增大以及各種不確定因素增多，極易造成雙機(jī)功率不均衡，引起膠帶嚴(yán)重打滑、斷裂、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等事故的發(fā)生，嚴(yán)重時甚至?xí)斐沈?qū)動裝置損壞。鑒于此，本文重點將從轉(zhuǎn)速優(yōu)化、功率平衡、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的角度出發(fā)，研究其控制策略。

1 優(yōu)化速度模型與雙機(jī)轉(zhuǎn)速平衡的分析

為保證功率均衡相同，首先采用同一規(guī)格的兩臺電動機(jī)。理論上，膠帶機(jī)帶載工作時，負(fù)荷在兩臺電動機(jī)間應(yīng)平均分配，即每臺電動機(jī)各承擔(dān)一半的負(fù)載。但由于兩臺動電機(jī)生產(chǎn)選用的材料和制造工藝誤差，導(dǎo)致兩臺電動機(jī)不可能完全一致，減速箱的機(jī)械制造，膠帶機(jī)雙機(jī)牽引繩的松緊程度也會帶來影響，加之采用的非同軸連接，兩臺電機(jī)間不能保證時刻的轉(zhuǎn)速同步。當(dāng)兩臺電機(jī)速度相差較大時，甚至出現(xiàn)一臺電機(jī)出力至過載故障、另一臺電機(jī)出力很小的情況，研究該項目控制策略，首先需保證雙機(jī)的轉(zhuǎn)速同步。

1.1 優(yōu)化速度模型

膠帶機(jī)屬于柔粘性機(jī)械系統(tǒng)，和起動停止時動膠帶張力分布不勻，導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動較大，輕則鋼絲繩震動，重則造成機(jī)械損傷。因此設(shè)計了一個起動低速預(yù)張緊，停車低速防松弛過程，使得膠帶的張力分布基本均勻后再按“S”曲線加速起動與停止。

該優(yōu)化“S”曲線模型如下：

該分段函數(shù)一次微分dv/dt為加速度曲線模型：

加速度a0起動至速度v0并保持低速運行（t1－t0），則預(yù)張緊過程時間為t0＋（t1－t）0。整個起動周期為：

圖2中曲線①為設(shè)定速度曲線，相應(yīng)的加速度曲線見曲線②，曲線③為正常停車“S”曲線，曲線④為直線停車曲線。從曲線上看出，在預(yù)張緊后的升速階段及停機(jī)指令后的降速階段，在速度設(shè)定曲線的每一個拐點，由于加加速度（加速度的導(dǎo)數(shù)）的投入使得速度曲線平滑過渡。優(yōu)化速度模型有效地解決了速度變化過程中的鋼絲繩振動及張力劇烈變化的問題。

圖2 膠帶機(jī)優(yōu)化的速度、加速度模型圖

1.2 雙機(jī)轉(zhuǎn)速平衡

一般認(rèn)為，雙機(jī)非同軸驅(qū)動膠帶機(jī)傳動系統(tǒng)需采用主從控制，且主從間須采用可靠高速通訊方式。為實現(xiàn)主從機(jī)之間的速度同步，主從驅(qū)動裝置的速度給定信號源須相同，即從控制系統(tǒng)接收主變流器的速度給定信號，同時也作為從機(jī)的速度給定（窗口控制時，兩臺電機(jī)同時為速度閉環(huán)控制模式）。膠帶機(jī)鋼絲繩的松緊程度、皮帶張力、負(fù)載的變化也會引起兩臺電機(jī)的實際速度的差異。主機(jī)接收優(yōu)化后的“S”型速度給定值，實現(xiàn)平穩(wěn)啟停，運行時主機(jī)工作在速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，保證主機(jī)的速度穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩環(huán)處于跟隨狀態(tài)，確保膠帶機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩需要，從電機(jī)必須能夠及時跟隨主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化且保持速度同步。

在PLC控制系統(tǒng)中，將兩臺電機(jī)實際轉(zhuǎn)速（通過高精度的編碼器檢測）的誤差值（主驅(qū)動裝置實際轉(zhuǎn)速信號與從系統(tǒng)實際轉(zhuǎn)速信號的偏差量）進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)誤差值超過一定范圍且在規(guī)定的Δt時間內(nèi)依然超限時，會啟動打滑保護(hù)程序：一般的做法是大幅度降低膠帶機(jī)速度給定值，從而將速度誤差值降到限值以下。

2 功率平衡分析

雙機(jī)非同軸驅(qū)動膠帶機(jī)的驅(qū)動是由兩臺“驅(qū)動器+電動機(jī)”作為驅(qū)動源動力,設(shè)置1#為主機(jī),驅(qū)動1#滾筒,2#為從機(jī),同時驅(qū)動2#滾筒。在主從控制方式下同步運行,理論上功率分配應(yīng)為“1：1”分配，且滿足以下條件:

傳統(tǒng)呂劇的節(jié)奏、唱腔、板式、舞臺、道具、音響等比較單一，但隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步和人民生活節(jié)奏的加快，呂劇的聲腔特色、舞臺設(shè)計、燈光音響、服裝道具等已不再適合大眾口味。年輕人喜歡快餐文化，呂劇已經(jīng)跟不上年輕人變革的文化需求，所以喜歡的人越來越少。因此，呂劇文化必須走多元創(chuàng)新之路，在演員觀念、唱腔特色、音樂內(nèi)容、音樂舞蹈和肢體語言、形式以及舞臺設(shè)計、服裝道具、燈光音響等諸方面要進(jìn)一步提升水平，充分運用現(xiàn)代科技手段，增強(qiáng)呂劇藝術(shù)表現(xiàn)手法的時尚性和感染力，以賦予呂劇文化藝術(shù)以強(qiáng)大的生機(jī)與活力 ［2］。

式中，P為負(fù)載所需功率，P＝P1＋P2

P1e、P2e分別為1#機(jī)額定功率、2#機(jī)額定功率

P1、P2分別為1#機(jī)實際輸出功率、2#機(jī)實際輸出功率

計算從機(jī)功率跟隨主機(jī)的功率變化,即

式中:ω1、ω2分別為1#機(jī)角速度、2#機(jī)角速度

T1、T2分別為1#機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、2#機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩臺電機(jī)在相同或相近轉(zhuǎn)速時,如果要達(dá)到輸出力矩能夠?qū)崿F(xiàn)均衡分配,也就是電機(jī)可按照額定功率等比例工作,當(dāng)功率平衡時,它滿足：

主從機(jī)速度同步可推出，僅需兩臺電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等于各自實際額定轉(zhuǎn)矩的百分比即可，

圖3 雙機(jī)主從控制邏輯框圖

3 窗口控制

窗口控制是從機(jī)驅(qū)動裝置在主從控制模式下，基于轉(zhuǎn)矩控制形成的一種速度監(jiān)控功能。當(dāng)從機(jī)速度給定值與實際速度值之差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的時候封鎖速度調(diào)節(jié)器，主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值直接作用于從機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。此處的預(yù)設(shè)范圍定義為窗口范圍。當(dāng)速度偏差值超出了窗口范圍，則速度調(diào)節(jié)器自動激活。速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個與輸入和增益相關(guān)的輸出且作為從機(jī)的給定，轉(zhuǎn)矩給定選擇單元將此輸出給定加入到轉(zhuǎn)矩給定，產(chǎn)生的結(jié)果就是變流器傳動單元的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定，從而預(yù)防了主從機(jī)電機(jī)速偏差過大。若沒有這種控制，主從機(jī)電機(jī)速度偏差將可能繼續(xù)增大，一直增加到傳動單元的速度極限值為止。因此這種控制方式可以形象的說成轉(zhuǎn)矩控制模式下的超速/欠速保護(hù)，下面將已負(fù)載減小為例，解釋該功能，示意圖如下：

圖4 激活窗口控制前后地轉(zhuǎn)矩閉環(huán)圖

在沒有窗口控制，正常運行范圍內(nèi)，從機(jī)受主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定信號的控制。發(fā)生負(fù)載減少現(xiàn)象時，從機(jī)的實際速度開始升高，升高到傳動單元的速度極限值，得到內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定用來停止速度的升高。

當(dāng)投入窗口控制功能后，在窗口范圍內(nèi)，窗口控制保持速度調(diào)節(jié)器的輸出為零，從機(jī)受主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定信號的控制。發(fā)生負(fù)載減少現(xiàn)象時，從機(jī)的實際速度開始升高，速度升高直到負(fù)速度偏差值的絕對值超過窗口值，視窗控制將速度偏差傳送到速度調(diào)節(jié)器前端。這樣產(chǎn)生一個負(fù)的速度調(diào)節(jié)器輸出值，將其加入到來自主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定信號上，得到內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定值，該值用于停止速度的升高。

要充分地利用窗口功能須合理地設(shè)置窗口寬度，若寬度過小，速度差較小時，從機(jī)速度環(huán)就開始工作，影響功率分配平均分配；若寬度過大，窗口功能起不到實際地作用。要保證窗口控制在膠帶機(jī)中應(yīng)用效果更加理想，保證主從設(shè)置合理，從機(jī)必須轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，還應(yīng)增加抑制膠帶打滑地控制，防止窗口功能誤動作。

4 設(shè)計實例

將上述理論應(yīng)用于某礦非同軸鋼絲繩牽引膠帶機(jī)，該膠帶機(jī)全長1500m，采用兩臺功率為500kW的直流電機(jī),額定電流為816A，選用DCS800傳動裝置與之匹配；

依據(jù)上文分析，建立主從機(jī)間的光纖網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置主從機(jī)參數(shù)，主從機(jī)建立通訊，從機(jī)接收主機(jī)控制字、速度給定和扭矩控制，實現(xiàn)主從機(jī)控制。

表1 DCS裝置主從參數(shù)設(shè)置表

通過設(shè)置TorqSel（26.01）為Add和上位機(jī)激活A(yù)uxCtrlWord（7.02）bit7=1，激活窗口功能，且設(shè)置窗口寬度并根據(jù)運行工況多次修正窗口寬度，本次設(shè)計參數(shù)如下：

表2 窗口控制投入?yún)?shù)設(shè)置表

設(shè)置完參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)辨識，優(yōu)化參數(shù)，按照“S”型曲線啟動膠帶機(jī)，調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)矩控制相關(guān)參數(shù)至膠帶機(jī)運行平穩(wěn)，觀察膠帶無明顯抖動；激活窗口控制功能，調(diào)試出最佳地窗口寬度，便實現(xiàn)主從機(jī)轉(zhuǎn)速同步，轉(zhuǎn)矩平衡。

本項目調(diào)試完成后，觀測輕載和重載時的速度與負(fù)荷值，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相差在4rpm以內(nèi)，電流相差在20A以內(nèi)，運行效果理想。

圖5 輕載時速度電流曲線圖

圖6 重載時速度電流曲線圖

5 結(jié)論

本文針對膠帶機(jī)傳動控制設(shè)計了平穩(wěn)啟停的“S”速度曲線，分析了轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩平衡控制，并提出了抑制轉(zhuǎn)速偏差過大的窗口控制功能，進(jìn)而在某礦膠帶機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果理想：主從機(jī)轉(zhuǎn)速同步、且雙機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過4rpm、電流相差不超過20A、膠帶機(jī)運行平穩(wěn)、膠帶機(jī)皮帶無打滑的情況，同時也證明了方案的正確性。該方案和試驗也為雙機(jī)驅(qū)動膠帶機(jī)向運行長距離、大運量、大功率的研究方向提供了又一傳動解決方法。