基于PLC的带式输送机节能调速控制系统研究

张佳佳， 任祥军， 戴昭斌， 周超

(安徽省煤炭科学研究院， 安徽, 合肥 230041)

0 引言

最近几年我国经济和产业结构的不断优化，国内对于煤炭的需求量也在逐年递减，造成了国内煤矿产业出现产能过剩的现象。在煤矿的生产运输中，带式输送机被广泛应用，其原因为煤炭的挖掘并不是连续的，且产量也不均匀，所以在带式输送机表面的载荷也各不相同[1]。一般来说，在设计带式输送机时，均会考虑煤矿的生产峰值所对应的冗余系数[2-4]。而如今，煤矿产业必须要降低生产运输成本，所以说对带式输送机的改造就成为了近年来社会关注的重点之一[5]。纵观之前国内的煤矿运输系统，基本上输送带的速度均为恒定值[6]，但是在实际的开采运输过程中，由于煤的数量是不确定的[7]，有很多时候输送带都是空载或者近似于空载的情况，造成浪费的情况发生[8]，且严重影响带式运输机的使用寿命以及使用效率[9]。国内对于带式运输机带速调节的研究较少，本文提出一种可以控制带式运输机运行速度的方法，在节能运行的前提下，提升工作效率。

1 节能运行研究

本文首先对带式运送机的工作阻力进行了研究，同时，探究了依靠调整带速而对节能效果造成的影响。大多数情况下，阻力均来源于运动部件在输送机运转的过程中。其需要的牵引力公式[10]如式(1),

F=Cfgnl[q′+(q+qd)cosβ]+

Cfgnl[q″+qdcosβ]+qgnlsinβ

(1)

式中，l为输送带长度(m)，C为系数(与l相关)，f为承载段运行阻力系数，β为线路倾角(°)，gn为重力加速度(m/s2)。

带式传输机所需功率[11]可由式(2)表示。

P=Fv=Cfgnl(q′+q″+2qd)v+

(gnlsinβ+Cfgnlcosβ)qv

(2)

就带式输送机来说，式(2)的第1行中，仅有带速v属于变量，剩下项都是常数，和运动能力q不存在关系，不管是否成功运煤，均会消耗功率，在一定程度上来说，可以将其认定成带式输送机的空载功率损耗；在第2行中，除了v和q，剩下的同样都是常数，在一定程度上来说，可以将其认定成带式输送机在运行过程中产生的负载功率损耗。依靠对速度进行调节来控制负载的功率，从而确保其基本恒定，想要达到节能效果，可以通过减小速度来实现，从而进一步减小空载功率的消耗。

根据q=Q/3.6v可知，当q不变时，带速与运量成反比。在进行调速的过程中，若是带速v能够正比于运量Q，便能够实现最佳的节能成效。

2 智能调速系统的设计

2.1 PLC

所谓PLC，即一种编程控制器，可以处理输入数据并将其转化成输出信号传输到变频器上的器具[12-16]。控制设计为改变带式输送机的运动速度，直接方法为通过利用调整运量Q进行调节，传输机控制系统架构如图1所示。当传送带经过核子运送带秤时，会根据传送带煤的数量以及重量生成煤量信号，信号通过速度传感器之后，采集当前的输送带速度，再与先前在PLC的指令进行对比，然后输出具体的速度指令，将指令输送到输送机变频器上，从而可以调节电机的转动速度。

图1 传输机控制系统架构图

2.2 模糊控制器设计

带式输送机的模糊控制的研究对象的显著特点包括非线性、不规律性等，因此可以利用模糊控制对带速和运量调整。输送量由核子输送带秤测得，基于给定方式确定带式输送机速度v0，系统在测量出电机的转速从而得出传送带的带速v，输入量包括速度偏差值E以及速度偏差变化率EC，变频器的控制信号，即变频器的控制电压为控制器的输出U，其主要用于控制电动机的转速。模糊控制系统原理如图2所示。

图2 模糊控制系统原理图

[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]为输出U和输入变量EC、E的模糊子集，隶属函数为三角形函数，U、EC、E的量化论域为[-6.0，6.0]。如图3、图4分别代表的是输入E、EC与输出U的隶属度。

图3 EC和E隶属度函数

图4 U隶属度函数

以系统稳定性为关键点，根据输出量与输入量之间的关系和输送机节能要求[17]，可总结出模糊控制规则如表1所示。

将表1内容输入至MATLAB软件中的模糊逻辑编辑器，可得输出曲面如图5所示。

表1 模糊控制规则

图5 模糊逻辑编辑器输出曲面

2.3 系统仿真研究

带式传输机系统可理解为由输送带纯滞后环节和驱动系统组成的三阶惯性环节组成，其传递函数[18]为

(3)

基于Simulink中模糊逻辑工具模块[19]和基本库，创建系统仿真计算框图，可得系统阶跃响应曲线，具体如图6所示。

图6 系统阶跃响应曲线

根据图6可知，系统输出效果较为理想，超调量在可控单位内，可满足系统控制要求。

2.4 上位机软件

基于Labwindows/CVI软件[20-21]架构上机位的监控画面，该软件为交互式ASNIC开发环境，其可用于显示、自动分析和自动检测等。其在测控领域内应用较为广泛，可直接选择调用函数，二次开发接口丰富，用户可以基于自己需求进行定制化开发。

3 总结

本文基于PLC控制技术对带式输送机调速控制系统进行了设计和研究。针对带式输送机系统的不确定性，本文选择模糊控制理论对带式传输机进行智能条块，选用Labwindows/CVI软件作为上位机带式输送机监控软件。若煤量较少，发动机转速会自动降低，不仅实现节能，而且可延长机器的使用寿命。