柴宗榮

（山西潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)公司供電科，山西 長(zhǎng)治 046103）

引言

帶式輸送機(jī)是煤炭開(kāi)采生產(chǎn)中的一個(gè)重要設(shè)備，特別是一些現(xiàn)代化開(kāi)采的煤礦，煤礦等物料需要輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸。帶式輸送機(jī)具有輸送距離長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，帶式輸送機(jī)的應(yīng)用極大地提高了煤礦開(kāi)采的效益與自動(dòng)化水平。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)煤礦開(kāi)采設(shè)備的自動(dòng)化、電氣化要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的運(yùn)輸設(shè)備已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求。因此設(shè)計(jì)出一套性能可靠、技術(shù)先進(jìn)的帶式輸送機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。監(jiān)控系統(tǒng)不僅可了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[1]。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的集中控制與監(jiān)控，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的互鎖和延時(shí)啟停，并可將電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況以及可能出現(xiàn)的故障信息上傳至中央控制計(jì)算機(jī)。通過(guò)輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便了解設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，輸送機(jī)一旦出現(xiàn)異常情況，操作人員可根據(jù)系統(tǒng)的反饋提前采取措施，有效地保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。輸送機(jī)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)是一門(mén)多學(xué)科融合的技術(shù)，監(jiān)控的核心內(nèi)容在于對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)分析皮帶機(jī)特征數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別、判斷輸送機(jī)的狀態(tài)[2]。

1 同步控制系統(tǒng)特點(diǎn)

大舉高、長(zhǎng)記錄的皮帶輸送機(jī)一般配備了多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于電機(jī)之間存在一定的特征差異以及設(shè)備安裝的精度，這就導(dǎo)致多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間受力不均。特別是皮帶在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下，產(chǎn)生了一定的變形，要想精準(zhǔn)高效地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就需要一套同步性控制系統(tǒng)。同步控制系統(tǒng)采用的是集散式控制系統(tǒng)，英文縮寫(xiě)DCS（Distributed Control System），該控制系統(tǒng)相對(duì)于目前主流的集中式控制系統(tǒng)，是一種比較新穎的系統(tǒng)。分散式控制系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，具有響應(yīng)快、后期可拓展性、控制精準(zhǔn)性等方面的優(yōu)勢(shì)，是一種比較常用的在線監(jiān)控系統(tǒng)控制方案。

DCS將中央控制、數(shù)據(jù)傳輸、傳感器數(shù)據(jù)采集等充分整合起來(lái)，完成對(duì)皮帶輸送機(jī)的監(jiān)控與控制，該綜合性控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)[3]：

1）高可靠性。分散式控制系統(tǒng)將不同的功能與子系統(tǒng)進(jìn)行集成，若某一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并不會(huì)影響系統(tǒng)的其他功能，系統(tǒng)采用了比較合理的冗余配置，有效地提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

2）擴(kuò)展性?？筛鶕?jù)需要擴(kuò)展更多新功能，而不需要將系統(tǒng)從底層進(jìn)行重構(gòu)，不存在相互依存的關(guān)系，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)非常便利，用戶(hù)使用比較方便。

3）易于維護(hù)。分散式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較分散，分類(lèi)明確；管理起來(lái)也比較方便，，用戶(hù)可以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、報(bào)表打印、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖顯示等功能[4]。

4）功能齊全。控制系統(tǒng)的功能完善，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制與順序控制，可對(duì)輸送機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并可根據(jù)輸送機(jī)潛在故障進(jìn)行識(shí)別，對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行集中控制與管理。

2 多電機(jī)同步控制流程

根據(jù)皮帶輸送機(jī)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)受力不均可能?chē)?yán)重縮短電機(jī)的使用壽命，有的甚至?xí)龎碾姍C(jī)。因此需要?jiǎng)?chuàng)建一套同步控制系統(tǒng)，同步控制系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC和變頻器組成。編碼器主要負(fù)責(zé)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況、設(shè)備運(yùn)行情況等，傳感器以及編碼器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)傳送到可編程控制器中，PLC則可根據(jù)上述信息進(jìn)行判斷，最后輸出對(duì)變頻器的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。為了研究多臺(tái)電機(jī)同步特性，搭建同步試驗(yàn)平臺(tái)，以模擬真實(shí)的輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，系統(tǒng)中以一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為參照基準(zhǔn)，若其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏離基準(zhǔn)電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)各電機(jī)進(jìn)行調(diào)控。

調(diào)控的原理是根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)確定，可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)V1、V2進(jìn)行采集，并以此作為PLC的控制輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)PLC根據(jù)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)狀態(tài)的調(diào)節(jié)。若電機(jī)從電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于主電機(jī)，則將從電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行校準(zhǔn)；若從電機(jī)轉(zhuǎn)速大于參考基準(zhǔn)電機(jī)，則降低從電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)不同電機(jī)同步性進(jìn)行控制，該控制流程圖如圖1所示。

圖1 同步控制流程圖

3 多機(jī)同步控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證同步控制系統(tǒng)的可靠性，設(shè)置以?xún)膳_(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為控制對(duì)象，實(shí)驗(yàn)室同步控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速編碼器、兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻控制器PLC以及工控機(jī)等設(shè)備組成。雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，編碼器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，將采集信號(hào)傳輸?shù)絇LC，最后進(jìn)過(guò)PID回路計(jì)算，可編程控制器對(duì)變頻器進(jìn)行控制。下面對(duì)實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的同步控制系統(tǒng)硬件選型做簡(jiǎn)要說(shuō)明[5]。

圖2 雙機(jī)同步控制系統(tǒng)原理圖

選擇采用了浙江聞達(dá)的7 kW電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其型號(hào)為SF1.95-5X，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為220 V，電壓頻率為60 Hz，最大抗過(guò)載能力為170%，持續(xù)時(shí)間小于5 min。選擇溫州嘉沃變頻器，設(shè)計(jì)選用型號(hào)為Y80LSH-0.5，控制輸出頻率范圍0.1~500 Hz，額定功率為3.1 kW，可靠性好、與電機(jī)兼容性好。單個(gè)電燈泡的功率為120 W，額定工作電壓為220 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速編碼器型號(hào)為FAL-980-3SD，電機(jī)同步控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)實(shí)物如圖3所示。

圖3 同步控制試驗(yàn)臺(tái)

4 實(shí)驗(yàn)步驟

同步性控制實(shí)驗(yàn)主要研究對(duì)象就是兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，所以主要研究目標(biāo)是電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，下面對(duì)該實(shí)驗(yàn)的主要幾個(gè)步驟做簡(jiǎn)要介紹：

1）首先，在搭好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，接入動(dòng)力電源線，零線接地、兩向接入220 V電源；變頻器布置安裝于驅(qū)動(dòng)電機(jī)之上，變頻器和異步電機(jī)都需要接地線，防止設(shè)備出現(xiàn)漏電情況對(duì)人員設(shè)備造成危害。

2）變頻器參數(shù)的設(shè)置，需對(duì)變頻器進(jìn)行設(shè)置，以確保其能根據(jù)控制信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供不同頻率的電源信號(hào)；變頻器最大輸出頻率為70 Hz，基本額定頻率為50 Hz，F(xiàn)AM端子最大輸出電壓為10 V；將變頻器頻率設(shè)定為電壓方式0~10 V。

3）初步試驗(yàn)。在所有工作準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)行通電試驗(yàn)；電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)成功后，可以對(duì)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集。給主動(dòng)電機(jī)20%、30%、50%轉(zhuǎn)速的階躍信號(hào)，觀察從動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟隨能力，數(shù)據(jù)的采集是每分鐘10次，整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集周期為半小時(shí)，觀察三組數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。最后是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)為編碼器的脈沖信號(hào)，則脈沖的頻率f與電機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中：1 024表示電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖次數(shù)。實(shí)驗(yàn)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)在30%、60%、80%最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于篇幅有限，在此只列出每種轉(zhuǎn)速下對(duì)兩種電機(jī)所采集數(shù)據(jù)的平均值，求取不同轉(zhuǎn)速多組數(shù)據(jù)的平均值，并以此為參考依據(jù)。已知30%、60%、80%最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差平均值如表1所示。

表1 各組實(shí)驗(yàn)均值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知，在不同的最大轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)組中，兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)誤差均在0.2 r/min，說(shuō)明同步控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的速度控制具有很好的效果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該同步調(diào)速系統(tǒng)具有較高的可靠性，可適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速變化對(duì)同步性的要求；后期為了驗(yàn)證同步控制系統(tǒng)的速度跟隨性能，分別加給主動(dòng)電機(jī)20%、30%、50%最大轉(zhuǎn)速的階躍信號(hào)，觀察從動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟隨情況，最終得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示該同步控制系統(tǒng)，具有良好的速度同步性能，速度跟隨的平均上升時(shí)間為5 s，平均調(diào)整時(shí)間為12 s，均無(wú)靜態(tài)誤差，綜上所述無(wú)論主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速如何變化，同步系統(tǒng)最終都能達(dá)到穩(wěn)定，同步控制系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的控制能力。