煤矿用带式输送机皮带张紧智能控制设计

2022-08-18冯书文

江西煤炭科技 2022年2期

冯书文

（晋能控股煤业集团四明山煤矿，山西晋城 048400）

煤矿井下带式输送机运行稳定、带速可调、检修方便，广泛应用于综掘、综采工作面的煤料、物料以及设备的运输。张紧装置是带式输送机的核心组件，为皮带提供相适应的张紧力，防止皮带过松或者过紧，保证带式输送机连续、稳定运行。随着带式输送机运输距离、运量以及功率的不断增加，负载变化范围以及频率也不断增大，导致张紧装置的张紧力以及行程的变化范围扩大[1]。因此，研究带式输送机张紧力与负载自适应调节方案成为亟需解决的问题。杨兴廷，曹剑，李静静设计了与带式输送机同步运行的张紧装置[2]，通过模糊PID控制算法实时计算皮带张紧力；郭耀华提出利用传感器技术检测带式输送机弹簧变形量，进而计算所需要的张紧力[3]；马晓林通过建立带式输送机张紧装置数学模型，研究运行过程中张紧力的变化规律，指导张紧装置的安装位置和参数设置[4]。

但是，目前为止，带式输送机张紧装置仍存在下列问题： ①张紧力的控制精度和响应速度无法满足带式输送机自适应控制需求；②张紧力无法随负载变化而自适应调节。因此，本文以煤矿用带式输送机为研究对象，在预测带式输送机负载变化趋势的基础上，根据张紧力需求进行自适应调节的方案设计，达到对张紧装置智能控制的目的。

1 张紧控制方案设计

带式输送机张紧装置包括变频防爆电动机、游动小车、滑轮组、钢丝绳、张紧力传感器等。张紧过程中，系统上电并启动张紧装置，由防爆电动机驱动滑轮组、钢丝绳拉动张紧滚筒实现带式输送机皮带张紧。防爆电动机的运行方向影响张紧力大小，变频器输出频率影响张紧力调节速度快慢。张紧力传感器动态监测张紧力大小，张紧力控制系统通过张紧力传感器监测数值动态调节张紧力，直至满足带式输送机皮带张紧需求。

带式输送机张紧控制方案原则： ①需保证皮带与驱动滚筒之间不打滑；②保证皮带沿线各点的悬垂度适中，避免出现散料故障；③能够补偿皮带的塑性伸长以及弹性伸长；④能够为带式输送机检修故障提供必要的行程；⑤张紧力和张紧行程满足带式输送机长距离、大运量、高功率运行要求；⑥具备突发、紧急情况时的报警和紧急制动需求。

2 硬件设计

根据带式输送机张紧控制方案要点，提出带式输送机张紧方案硬件设计，如图1 所示。张紧装置安装于带式输送机机身，并在张紧装置本体安装压力传感器、温度传感器、张紧力传感器、限位开关、电流传感器等实时监测张紧装置运行状态，并将上述传感器输出信号传送至PLC控制器系统。PLC控制系统接收到传感器信号后首先完成A/D转换以及软件滤波，并完成逻辑处理，当压力值、电流值、温度值、限位开关超限后故障报警并进行动态调节。 PLC控制器实时检测张紧力传感器值，当检测张紧力值与设定张紧力的差值超限后，控制器调节变频器运行频率，驱动绞车电动机加速、减速，进而完成带式输送机皮带松带、紧带动作，动态调节张紧力。PLC控制器还需将张紧装置运行时的所有数据上传至监控与调度中心，以便工作人员及时掌握张紧装置运行状态以及故障信息。

图1 煤矿用带式输送机张紧方案

带式输送机所有控制设备安装于张紧装置电气柜中，包括PLC控制器、变频器、传感器、继电器、通信隔离栅、断路器等。

带式输送机张紧装置电气柜中的PLC控制器选用的是罗克韦尔的AB 1769 CPU，型号为1769-L33 ERM，具有运行频率高、响应速度快、实时性好且可实现分布式I/O 模块扩展，根据张紧装置控制需求，扩展1769-PA2 电源，1769-IF4XOF2 模拟量模块，1769-OB 16 数字量输出模块，1769-IQ数字量输入模块以及1769-ECR终端盖板[5-6]。变频器选用的是罗克韦尔的AB PF753 型，基于Logix软件平台可实现变频器组态，完成参数配置以及系统更新。选用的传感器包括TJL-7 张紧力传感器，量程为0～150 kN；HSTL-103F温度传感器，量程为0～100℃；HSTL-800 压力传感器，量程为0～20 MPa；LX19-001 限位开关；MIK-DJI-V1-B1电流变送器，量程为0～100 A[7-8]。上述传感器的输出信号均为4～20 mA电流信号经A/D转换以及硬件滤波后传送至PLC控制器。煤矿用带式输送机张紧控制方案PLC I/O地址分配如表1 所示，在进行软件设计时，需根据该地址分配表进行软件编程。

表1 煤矿用带式输送机张紧控制方案PLC I/O 地址分配

3 软件设计

在分析并确定煤矿用带式输送机在不同状态下所需张紧力为目标张紧力，PLC控制器根据张紧力传感器实际检测值与目标张紧力差值为输入参数进行自适应动态调节。张紧力调节过程中，张紧力值大小与绞车电动机运行方向相关，张紧力调节速度与绞车电动机运行频率相关。当张紧力差值越大时，绞车电动机运行频率越大；当张紧力差值越小时，绞车电动机运行频率越小；当张紧力差值在设定范围之内时，绞车电动机停止运行。

在PLC控制中实现张紧力PID调节方案，逻辑框图如图2 所示，其中FZS为张紧力预设值，FZC为张紧力传感器实测值，ΔF为张紧力差值，且可表示为ΔF=FZC-FZS；绞车电动机的运行频率为f，与ΔF的关系可表示为f∝ΔF。张紧绞车电动机运行速度可表示为式（1）:

图2 煤矿用带式输送机张紧自适应控制方案

式中：S 为绞车电动机的转差率，为定值；P 为绞车电动机极对数，为定值；i 为减速比，为定值，n 为绞车电动机转速，r/min。

4 应用分析

以晋能控股煤业集团四明山煤矿33023 综放工作面的带式输送机为试验基础，搭建张紧装置试验平台，构建张紧系统硬件组态完成工业试验，试验时间为2021年1月至2021年6月。带式输送机张紧装置设计核心参数如表2 所示。根据对不同运行状态下带式输送机所需的运行电流进行预测，根据电流预测结果以及张紧力传感器反馈值对张紧力进行PID自适应调控。带式输送机张紧力设定值为70 kN，允许的张紧力误差范围为3 kN。基于BP神经网络对绞车电动机运行电流进行预测，预测精度可达92.1%，能够较好并实时反映负载变化。利用PID张紧力调节方案，调整时间与传统控制方案相比下降了约2.82 s，超调量降低了2.02%，稳态误差下降了0.52 kN，有效降低了张紧力振幅，提高了张紧力控制精度。