基于PLC的帶式輸送機節能調速控制系統研究

張佳佳， 任祥軍， 戴昭斌， 周超

(安徽省煤炭科學研究院， 安徽, 合肥 230041)

0 引言

最近幾年我國經濟和產業結構的不斷優化，國內對于煤炭的需求量也在逐年遞減，造成了國內煤礦產業出現產能過剩的現象。在煤礦的生產運輸中，帶式輸送機被廣泛應用，其原因為煤炭的挖掘并不是連續的，且產量也不均勻，所以在帶式輸送機表面的載荷也各不相同[1]。一般來說，在設計帶式輸送機時，均會考慮煤礦的生產峰值所對應的冗余系數[2-4]。而如今，煤礦產業必須要降低生產運輸成本，所以說對帶式輸送機的改造就成為了近年來社會關注的重點之一[5]。縱觀之前國內的煤礦運輸系統，基本上輸送帶的速度均為恒定值[6]，但是在實際的開采運輸過程中，由于煤的數量是不確定的[7]，有很多時候輸送帶都是空載或者近似于空載的情況，造成浪費的情況發生[8]，且嚴重影響帶式運輸機的使用壽命以及使用效率[9]。國內對于帶式運輸機帶速調節的研究較少，本文提出一種可以控制帶式運輸機運行速度的方法，在節能運行的前提下，提升工作效率。

1 節能運行研究

本文首先對帶式運送機的工作阻力進行了研究，同時，探究了依靠調整帶速而對節能效果造成的影響。大多數情況下，阻力均來源于運動部件在輸送機運轉的過程中。其需要的牽引力公式[10]如式(1),

F=Cfgnl[q′+(q+qd)cosβ]+

Cfgnl[q″+qdcosβ]+qgnlsinβ

(1)

式中，l為輸送帶長度(m)，C為系數(與l相關)，f為承載段運行阻力系數，β為線路傾角(°)，gn為重力加速度(m/s2)。

帶式傳輸機所需功率[11]可由式(2)表示。

P=Fv=Cfgnl(q′+q″+2qd)v+

(gnlsinβ+Cfgnlcosβ)qv

(2)

就帶式輸送機來說，式(2)的第1行中，僅有帶速v屬于變量，剩下項都是常數，和運動能力q不存在關系，不管是否成功運煤，均會消耗功率，在一定程度上來說，可以將其認定成帶式輸送機的空載功率損耗；在第2行中，除了v和q，剩下的同樣都是常數，在一定程度上來說，可以將其認定成帶式輸送機在運行過程中產生的負載功率損耗。依靠對速度進行調節來控制負載的功率，從而確保其基本恒定，想要達到節能效果，可以通過減小速度來實現，從而進一步減小空載功率的消耗。

根據q=Q/3.6v可知，當q不變時，帶速與運量成反比。在進行調速的過程中，若是帶速v能夠正比于運量Q，便能夠實現最佳的節能成效。

2 智能調速系統的設計

2.1 PLC

所謂PLC，即一種編程控制器，可以處理輸入數據并將其轉化成輸出信號傳輸到變頻器上的器具[12-16]。控制設計為改變帶式輸送機的運動速度，直接方法為通過利用調整運量Q進行調節，傳輸機控制系統架構如圖1所示。當傳送帶經過核子運送帶秤時，會根據傳送帶煤的數量以及重量生成煤量信號，信號通過速度傳感器之后，采集當前的輸送帶速度，再與先前在PLC的指令進行對比，然后輸出具體的速度指令，將指令輸送到輸送機變頻器上，從而可以調節電機的轉動速度。

圖1 傳輸機控制系統架構圖

2.2 模糊控制器設計

帶式輸送機的模糊控制的研究對象的顯著特點包括非線性、不規律性等，因此可以利用模糊控制對帶速和運量調整。輸送量由核子輸送帶秤測得，基于給定方式確定帶式輸送機速度v0，系統在測量出電機的轉速從而得出傳送帶的帶速v，輸入量包括速度偏差值E以及速度偏差變化率EC，變頻器的控制信號，即變頻器的控制電壓為控制器的輸出U，其主要用于控制電動機的轉速。模糊控制系統原理如圖2所示。

圖2 模糊控制系統原理圖

[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]為輸出U和輸入變量EC、E的模糊子集，隸屬函數為三角形函數，U、EC、E的量化論域為[-6.0，6.0]。如圖3、圖4分別代表的是輸入E、EC與輸出U的隸屬度。

圖3 EC和E隸屬度函數

圖4 U隸屬度函數

以系統穩定性為關鍵點，根據輸出量與輸入量之間的關系和輸送機節能要求[17]，可總結出模糊控制規則如表1所示。

將表1內容輸入至MATLAB軟件中的模糊邏輯編輯器，可得輸出曲面如圖5所示。

表1 模糊控制規則

圖5 模糊邏輯編輯器輸出曲面

2.3 系統仿真研究

帶式傳輸機系統可理解為由輸送帶純滯后環節和驅動系統組成的三階慣性環節組成，其傳遞函數[18]為

(3)

基于Simulink中模糊邏輯工具模塊[19]和基本庫，創建系統仿真計算框圖，可得系統階躍響應曲線，具體如圖6所示。

圖6 系統階躍響應曲線

根據圖6可知，系統輸出效果較為理想，超調量在可控單位內，可滿足系統控制要求。

2.4 上位機軟件

基于Labwindows/CVI軟件[20-21]架構上機位的監控畫面，該軟件為交互式ASNIC開發環境，其可用于顯示、自動分析和自動檢測等。其在測控領域內應用較為廣泛，可直接選擇調用函數，二次開發接口豐富，用戶可以基于自己需求進行定制化開發。

3 總結

本文基于PLC控制技術對帶式輸送機調速控制系統進行了設計和研究。針對帶式輸送機系統的不確定性，本文選擇模糊控制理論對帶式傳輸機進行智能條塊，選用Labwindows/CVI軟件作為上位機帶式輸送機監控軟件。若煤量較少，發動機轉速會自動降低，不僅實現節能，而且可延長機器的使用壽命。