矿用带式输送机皮带张紧智能控制系统设计

仇书文

（潞安化工集团常村煤矿，山西长治 046102）

输送机作为井下煤矿中最为重要的传送装置，发挥着重要的作用，承担着综合挖掘中物料、设备的运输任务，其具有较高的稳定性，同时该设备拥有维修简单、调节灵活等特性，因此得到了较为广泛的运用。输送机类型较多，应用最多的类型则是带式输送机。该输送机最为关键的组成部分则是张紧装置，该装置可对系统内部的张紧力进行调节，进而保障皮带的松紧度处在合适的范围内，防止因过紧或过松而出现输送问题。一般来说，随着输送距离及张紧力的不断变化，其设备的输送负载也随之变化，因此，该输送机的张紧力与设备负载之间的关系成为了研究的重要领域。我国的研究学者对其进行深入探索，杨兴廷、曹剑[1]等人重点研究了张紧力的控制，通过PID 算法计算出输送设备的张紧力，为设计同步运行的张紧装置提供了支持。而郭耀华[2]则重点研究了设备的弹性形变，利用检测装置测量弹簧形变，进而得出张紧力。虽然输送机具有较多的优势，但是也存在以下缺陷：①设备的张紧力无法与其实现自适应，其控制效果较差，达不到较高的精度及灵活度，无法满足需求。②负载同张紧力之间无法协同，不能根据需求自主调节[1]。因此，为了解决上述的弊端，本文则分析了带式输送机的负载变化情况，并设计了自适应的张紧装置，使其需求能够符合系统，实现智能化控制。

1 张紧控制方案设计

带式输送机的张紧装置组成结构较为复杂，其大致可分为以下几部分，包含了电动机、滑轮组、张力传感器等。在系统运行过程中，电动机会控制滑轮组及钢丝绳，进而拉紧滚筒，使皮带张紧。另外，电动机的旋转方向同张紧力有一定关系，而传感器则能够实时检测张力，张力控制系统则可以通过传感器的张力反馈进行系统调节，使其符合当前的输送标准[1]。

带式输送机张紧控制方案原则：①皮带与滚筒之间需要紧密配合，两者之间不能出现打滑现象；②系统在运行过程中，皮带的状态要保持好，悬垂度符合标准，禁止散料；③皮带的塑性及弹性伸长能够得到较好的补充；④可为输送机故障的检测提供行程；⑤张紧力与输送机运输距离及功率相适应；⑥具备良好的制动机制，可面对突发情况，同时，也需要拥有自动报警功能，保障运输的安全性。

2 硬件设计

带式输送机的设计需要满足一定的需求，设计方案如图1所示，下面将对其进行详细阐述。输送机机身会安装张紧设备，该设备内置了各类压力、温度及张紧力传感器，可实时检查设备运行状态，并将检查结果进行上传，反馈给PLC控制器，而该控制器收到的信息需要经过处理才能够使用，一般的处理包括A/D 转换及滤波。当控制器接受到处理后的数据时，会将压力、温度及电流等值与设定值进行对比，一旦超过设定值则会发生报警，同时会进行自适应调节。同时，该控制器还可以对当前的张紧力进行调节，调节方式同上述方式一致，当张紧力的实际值与设定值差距较大时，变频器则开始工作，控制电动机的旋转，进而控制皮带状态，使其松开或者拉紧，调节其张紧力。同时该系统还可以实时记录拉紧力数据，对将该数据上传给调度中心，使其控制拉紧装置的运行状态[1]。

图1 煤矿用带式输送机张紧方案

一般情况下，输送机的控制设备都会集中在电气柜中，其内部包含了PLC控制器、传感器等一系列元件。

本输送机系统的PLC 控制器也安装在了电器柜中，其型号为1769-L33ERM，该款控制具有较好的性能，响应速度较快，能够对系统进行实时控制，同时内置了多个I/0 接口，可进行数据信息的交换。除此之外，该系统还包含了PA2 电源、模拟量模块、数字量的输入输出模块以及盖板等。该系统的变频器是基于Logix 软件平台进行开发的，型号为AB PF753，可自动完成参数及系统更新。同时，输送机包含了张紧力、压力、温度、电流传感器，其型号分别为TJL-7、HSTL-103E、HSTL-800、MIK-DJI-V1-B1 等。传感器的输出为电流，其范围大约在4～20mA，这些电流数据会经过AD 转换为数字量，并上传给PLC 控制器进行处理，其具体的地址分配表见表1，在设计软件时，可根据表1进行编程[2]。

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

带式输送机在运行过程中，由于工作状态不同，其张紧力的大小也不同，可将工作需要的张紧力作为目标张紧力，目标张紧力与实际张紧力的差值作为PLC控制器的输入，控制器会根据输入数据进行动态调节，在调节过程中，电动机的运行方向与张紧力大小相关，而运行频率则代表了调节速度。该调节系统满足以下规律，张紧力差值与电动机频率呈正比，也就是说，张紧力差值越小，其运行频率越小，而当张紧力不超过设定范围时，其电动机不会运行，对其进行调节[2]。

本系统采用了PID 的控制方案，其具体的控制原理图如图2所示，可对用到的参数进行设置，其中张紧力的设定值为FZS；实际值为FZC；两者间的差值可用ΔF代表。同时，假设电动机的频率为f，而f与ΔF之间具有关系，其关系为f∝ΔF，下面公式则表示了电动机运行速度与运行频率间的关系：

图2 煤矿用带式输送机张紧自适应控制方案

式中：s——相应的绞车电动机的转差率，为定值；

p——相应的绞车电动机极对数，为定值；

τ——相应的减速比，为定值；

n——相应的绞车电动机转速，r/min。

4 应用分析

本研究的研究对象为潞安化工集团的输送机系统，并以此为基础搭建了工业实验平台，通过软件及硬件共同实现其功能。实验开始的时间为2022 年的1月，实验持续时间为4个月。在该系统中，其核心设备的参数见表2，该系统可对不同情况下的输送机电流进行预测，并结合预测值与张紧力实时PID控制[3]。张紧力的设定值为70kN。本系统是基于BP 神经网络进行预测，精度较好，灵活性强，可实时反映其负载情况，利用该方式对PID 张紧力进行调节要比传统的调节方式耗时更少，误差更小，进而增大了控制精度[3]。

表2 带式输送机张紧装置设计参数信息

5 结论

（1）输送机张紧装置使用了电流预测方案，可设置张紧力的预测值，并对其进行动态控制，通过传感器测量的张紧力的实际值与目标值的差值作为系统的输入数据，利用PID进行动态调节，耗时较小，精度较大，保障了自适应调节的稳定性。

（2）本研究通过对潞安化工集团的综合平台进行了研究，表明了其控制方案的可行性，可使输送机稳定运行，提高了工作效率。

（3）带式输送机张紧装置发展方向具有多样性，可向智能化方向进行探索。