矿井带式输送机液压自动控制系统的设计及应用

钟晓锐

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司， 山西 临汾 041000）

引言

在矿井开采过程中，矿山设备极其关键，带式输送机作为矿井运输物料及煤炭的设备，其工作性能在很大程度上制约着煤炭资源的开采。随着开采量的不断加大，目前我国的带式输送机逐步朝着大运距、大容量、高速度的方向发展，单条带式输送机的运输距离已经达到10 km，运量也超过5000 t/h。在带式输送机运行过程中，由于工况环境及运载质量等因素的影响，使得其在运输过程中极不稳定，常常出现胶带断裂、跳带等问题，所以设计一款液压张紧自动控制系统十分重要[1]。本文通过分析带式输送机不同工况下的张紧力，设计了带式输送机液压张紧自动控制系统，为带式输送机高效运行提供保障。

1 液压张紧系统设计

张紧系统的使用十分广泛，其在带式输送机中的应用十分重要，但目前现有的张紧装置存在响应速度慢和张力低等问题，无法满足现阶段矿井运输要求，所以设计了一种液压张紧自适应控制系统，其通过采用液压张紧系统能够对张紧力进行实时调整，从而解决张紧装置响应速度慢及张力低的问题。

1.1 工作原理

液压张紧系统由液压系统产生液压油在缸内形成压力，从而通过气缸的钢丝绳对带式输送机传输牵引张力，同时系统内部设置PLC 控制端，其通过接收传感器传输的运行数据进行实时分析，从而达到根据输送机操作条件调节张力的作用。液压张紧系统具有控制精度高、响应速度快，信号处理灵活等优点，适用于高负载运行。

1.2 系统组成

液压张紧系统由多个部分组建而成，其中较为主要的有电气系统、液压系统等，通过系统本身的PLC控制端及机械、液压、电气间的转换，实现由集中控制箱控制不同张力信号，同时系统给出控制信号，实现机械及液压部件的自动控制。液压系统作为张紧系统中最为复杂的部分，其由不同的元件及部分组合而成，其中最为主要的有液压泵站、换向阀等[2]。液压泵站模型图如图1 所示。

图1 液压泵站模型图

液压油箱的设计选用带有呼吸气囊和呼吸阀的闭式设计油箱，避免油液与污浊空气进行接触，保证油液的清洁。泵站采用集成阀块，通过叠加布置形式保证后期拆装方便。油箱选用316L 型不锈钢进行制作，同时设置护罩，适应矿井恶劣的工况环境。在油箱的下部设置蓄能器，有效降低占地面积。在油箱内设有加热器，确保在低温情况下仍能正常运行。

比例溢流阀是液压系统最重要的元件，通过控制器控制比例溢流阀，起到调节油压，自动调节张力的作用。比例溢流阀设计为锥形阀，通过比例电磁铁进行驱动，电磁铁充满油并连接至端口时，当油量较少时仍能保证恒定运行，同时通过调节放大控制压力实现电磁铁的电流调整。比例溢流阀通过改变放大板上的指令值调节系统压力。当指令变化值发生变化时，此时放大板会改变PWM（脉宽调制），实现电磁铁的电流控制，比例电磁铁会将电流转为机械能，再通过电枢直接作用于弹簧上，达到自动控制。

液压泵选择轴向柱塞变量泵，液压泵的参数可以根据液压系统需要的张力进行计算获得，通过选用这种液压泵可以达到输出流量与输出速度及泵排量的比例关系。输出流量可以从零到最大值无级调节，同时采用模糊控制及PID 控制，使液压张紧速度更快且更稳定。马达同样选择轴向柱塞定量马达，其适用于移动机械，随着高压侧与低压侧的压力差而调节扭矩，其结构较为紧凑，启动扭矩效率高。

基于带式输送机张紧系统的驱动系统过程的特性，选择液压张紧系统的电气元件，电气系统是带式输送机液压张紧自动控制系统的重要组成部件。在进行电气系统设计时，需要考虑防爆特性，设计一款防爆型控制箱，控制箱的内部主要由触摸屏、输入输出继电器、电机保护、接触器以及电源组成。其中控制箱中PLC 为关键元件，其主要用于采集传感器的数据，如温度、速度、电压等参数。根据收集反馈的数据对液压站电机、比例阀、电磁阀进行控制，同时通过对皮带发出控制作用，从而达到控制皮带的作用。电控系统控制框架如图2 所示。

图2 电控系统控制框架图

控制箱由于在井下进行工作，其处于易燃易爆粉尘中，选定防爆壳体，在控制箱的内部面板上设计多个按钮控制张紧系统，控制面板上带有液晶显示屏，实时观察及监测带式输送机的运行情况及运行参数情况。PLC 为控制箱的核心，本文综合考虑后选定S7-1200 型控制器，其具有如下优点：指令处理速度快，能够满足高需求；集成多种通信接口，如PROFIBUS、MPI；具有高速计算输出模块及伺服定位控制I/O 模块；能够自行组态，可以根据操作人员要求进行选择安装；硬件设计较为紧凑，节省控制柜的空间；集成的PROFINET 接口能够用于PLC 的编程，HMI 通信。接口配置专用的RJ45 连接器，能够提升数据传输速率，同时能够支持多种协议如TCP/IPnative、S7 通信等[3]。

控制箱的液晶显示器选用TPC7062Ti 触摸屏，显示器与控制器通过以太网进行连接，可以监控张紧系统的各个参数，同时将部分重要的张紧数据附加于PLC，使得张紧系统能够更好地解决带式输送机出现的情况。液晶显示器设置界面如图3 所示。

图3 液晶显示器设置界面图

TPC7062Ti 触摸屏属于MCGS 嵌入版，主要显示由PLC 对现场采集的数据，同时用于监测设备数据和状态。触摸屏能够与其他硬件设备进行连接，同时TPC7062Ti 拥有先进的Cortex-A8 CPU。显示屏主要应用了TFT 液晶显示屏，搭配四线电阻式触摸屏，分辨率为4096×4096，并且装配了专用的MCGS 嵌入式组态工具。内部设置有参数设置窗口，对不同带式输送机工况下的参数进行调整。

2 仿真模拟研究

对于液压系统的性能进行仿真分析，采用Matlab进行液压系统的性能分析，对于液压系统进行仿真分析可以观察系统稳定性。液压系统稳定性非常重要，不稳定的系统无法应用。液压系统仿真阶跃响应曲线如图4 所示。

图4 仿真阶跃响应曲线

从图4 可以看出，液压系统的单位阶跃响应初始时间为0.66 s，此时系统输出张力，响应速度较快，同时经过8.52 s 时，系统能够稳定输出张力1.36 kN，系统达到稳定。所以设计的液压张紧系统稳定性较好，能够满足矿井生产需求，可以应用于矿井带式输送机[4]。

3 应用效果分析

对设计的带式输送机液压张紧自适应系统进行应用，输送机的运输长度为2400 m。由于原有的机械张紧方式张紧力低、张紧距离短造成的打滑等问题，因此，对张紧装置进行设计。设计型号为DYL-01-6/15 自动控制液压张紧装置，目前最大的张紧行程可以达到8000 mm，最大张紧力能够达到150 kN。张紧装置目前已经使用一年的时间，带式输送机运行良好，并未再出现打滑等现象，满足运输需要。