帶式輸送機運行過程動態控制系統優化設計

王月茹

（華陽集團一礦， 山西 陽泉 045000）

引言

山西省平遙縣某礦采用DTL140/250/3×400 固定帶式輸送機，其具體參數見表1。在實際輸送過程中，該輸送機常發生皮帶跑偏打滑現象，跑偏是輸送機在運行過程中皮帶中心與滾筒中心發生錯位，打滑是因皮帶運行時間長導致張力不足，或負荷過重使得皮帶與滾筒兩者摩擦力不足造成的。兩者嚴重影響了帶式輸送機的能耗及輸送效率。現基于該輸送機運行過程中出現的各種問題，對其進行動態控制系統優化設計。

表1 DTL140/250/3×400 帶式輸送機參數

1 動態優化控制器設計

1.1 PLC 控制器

帶式輸送機運行動態控制系統設計是通過監測系統內部某一數據特征值或參數是否發生偏離，使設備不能按預期完成規定動作。系統做到提前對設備異常情況的感知報警是衡量其運作成功的關鍵，包括對數據的采集、運行異常識別、故障處理等，其中對數據的采集是整個系統的基礎部分，因此該系統配置兩種基于帶式輸送機速度控制的控制器，一種是PID 控制器，另一種是自適應模糊PID 控制器。這兩種控制器都包含控制器模塊、FBI 過濾器模塊、DB 數據模塊、OB1 模板、OB35 編程塊等。其運行過程中主板需對預先下載在PLC 內的組織塊OB1 進行掃描，該OB1 模塊不能寫入或調用算法，僅用于數據處理轉換，可用LAD 進行軟件編程。而OB35 編程塊可被主板進行掃描處理，并可進行0.1 s 的數據循環中斷。FBI 是基于變量參數化與臨時變量存儲特性的功能塊[1]。

1.2 PLC 控制器優化

基于自適應模糊PID 控制器對原控制系統進行優化，其控制器結構如圖1 所示。控制系統根據輸出數據變化率及誤差對初始值PID 參數進行調整。在PLC 控制器內讀取范圍為-10～10 V，信號讀取以16位整數值表出，數據中10 V、5 V、0 V 用整數分別表示為32 768、16 384 及0。FB12 是基于模糊控制算法模塊。采用LAD 編譯并將產生的臨時變量存儲于DB3 中，這也生成了模糊控制系統新的功能。FB12 中函數使用SCL 進行編寫，輸入函數為FC2，三角函數FC3，屬于編程塊可以進行參數化處理。而最值可基于這些編程塊進行去模擬化。該程序基于FC15 算法編寫，并用FC16 進行范圍限制，否則計算值將超出編寫范圍。

圖1 自適應模糊PID 控制器結構示意圖

2 速度控制系統

2.1 速度模塊設計

設計帶式輸送機整體結構為桿狀分布，由驅動滾筒進行驅動，驅動皮帶帶動機尾滾筒進行轉動，托輥起到降低皮帶摩擦力的效果，運行過程中皮帶的張力保持不變且與位置無關，配置張緊裝置以保障皮帶負載下正常運輸物料，避免松散狀態下發射跑偏及無法輸送物料的情況發生[2]。具體結構如下頁圖2 所示。應用光電編碼器對其電機速度進行監測，該編碼器為兩相增量光電編碼，轉速有240、360、400 脈沖/轉速三種。兩相編碼器可產生脈沖信號，通過監測相位差來判斷電平特性是高水平還是低水平。這種編碼器在測量旋轉電機速度、加速度方面有著廣泛的應用。將光電編碼器接收的電機速度信號傳入控制系統，以便之后進行數據分析。

圖2 帶式輸送機系統結構示意圖

2.2 物料監測模塊設計

帶式輸送機采用紅外傳感技術對輸送材料進行監測，受溫度、亮度影響較小，可通過發射固定頻率的紅外光來監測物料，若帶式輸送機上有物料通過，紅外光會被物料吸收或反射，經過轉換電路轉換紅外傳感器上的顯示燈亮，信號輸出端輸出低電平。低水平信號會在監測系統下將數據進行收集和處理，并傳輸到地面控制系統中。該模塊可實現對輸送物料的成功感知及識別，不同物料的吸收反射波會存在差別，因此也可起到識別煤矸效果。物料的量不同，對紅外光的吸收與反射效果也會出現差別，因此可實現對輸送物料負載的監測[3]。

2.3 控制模塊設計

帶式輸送機控制模塊通過PID 硬件控制，每一級輸送機上的傳遞信息可由無線傳輸模塊向下一級控制中心進行傳輸。兩級之間的信息差即速度差為PID算法的輸入值，可根據對輸入值的計算進行下一級速度預測，從而進行速度調整，以達到帶式輸送機平穩運行的效果。因此PID 算法是通過對傳遞信息進行控制操作來來保障帶式輸送機的輸送效果。

帶式輸送機速度控制采用雙隔離直流電機驅動板，通過組合電路與PN 結連接控制對輸送機電機進行驅動，模塊輸出額定電流為6 A，峰值輸出電流45 A，輸出電壓10 V，基于低壓控制電路，電源尋找較為方面，可使用PWM 波進行電機驅動，該波頻率0～10 kHz 在調節電機轉速時也更加精確。控制電機接線如圖3 所示。該單片機通過選擇合適的齒輪位置，接入電機驅動板輸入端口，控制電機旋轉。系統運行時可將計算機設計控制程序導入單片機ROM 內，單片機通過連接線將代碼處理結果傳入電機驅動端口，由端口信號對輸送機電壓進行控制，從而實現輸送機的正常運作。在電路中加入光電耦合可防止大電流通過電路時造成電路損害，達到對驅動電路的保護。

圖3 單片機接線示意圖

3 系統測試結果

對PID 控制器進行試驗，分別配置模擬電源20 V、5 A 一個，模擬輸入通道4 個，輸出通道2 個；數字輸入通道28 個，數字輸出通道18 個。編程系統程序由PLC 接收，0～10 V 電位計作為變量對PLC 輸入模塊通道進行使用，并由示波器進行測量。試驗設施由程序邏輯控制器、帶式輸送機控制系統以及示波器組成，具體操作過程為：PLC 將輸出值由通道1 傳給系統操作人員，電機測量的速度監測信號由PLC 輸入模塊通道2 反饋給控制器，在PLC 進行波形過濾及放大，傳遞給通道2。通過控制器的響應結果表明，帶式輸送機在低速低載荷運行下即2 kg 負載以內，PID控制器性能較好，與優化后的自適應模糊PID 控制器沒有較大差別；當施加2～3 kg 載荷時，兩種控制器效果較為相同，穩定性偏差基本處于一致；而當載荷大于3 kg 時，PID 控制器開始出現不穩定趨勢，而自適應模糊PID 控制器依然較為穩定。由圖4 可以看出，在帶式輸送機負載運行下，優化后的自適應模糊PID（AFPID）控制器有著更好的穩定效果，而傳統FID 控制器則出現了較大的穩定性偏差，這也就解釋了該礦帶式輸送機發生跑偏及打滑未得到及時監測處理的原因。

圖4 AFPID 試驗效果圖

4 工程應用

將優化后的帶式輸送機動態控制系統應用于該礦，并對負載下DTL140/250/3×400 固定帶式輸送機的運行狀態進行監測，具體效果如下頁圖5 所示。由圖5 可以看出，在啟動階段由于機尾未包含驅動裝置，因此速度慢于機頭部位，但在40 s 之后，兩者運行速度基本相同，也就是帶式輸送機得到穩定運行。將物料質量逐步增加，兩者運行速度并未發生較大變動，且帶式輸送機整體未發生明顯的跑偏及打滑現象，說明該系統優化方案有著良好的實際應用效果。

圖5 制氮機現場測試裝置

圖5 DTL140/250/3×400 帶式輸送機優化系統監測效果圖

5 結語

本文建立了PLC 控制系統對帶式輸送機的啟動運行狀態進行控制監測，通過試驗對比兩種PID 控制器，發現自適應模糊PID 控制器性能明顯優于PID 控制器，能夠適應帶式輸送機負載變化。通過對帶式輸送機啟動過程的控制，可以使其平穩啟動減少張力，最大程度利用帶式輸送機的負載能力，降低輸送機能耗。該優化方案的提出，為帶式輸送機控制系統的優化發展提供了成功案例。將測試結論應用于實際工程領域，達到了良好的應用效果，對煤礦企業創新節能發展有著重大意義。