多机驱动带式输送机功率平衡的研究与分析.pdf

第 5 期 2 0 1 1年 5月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n NO ． 5 M a v 2 0 1 1 ’⋯ ⋯。 ’ ’ i经验 交流 毛 ． ． ． ◆⋯ { ◆ ， ◆ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 0 5 0 0 6 3 0 4 DOI CNKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 1 0 4 2 8 ． 1 9 4 2 ． 0 1 1 多机驱动带j j c 输送机功率平衡的研究与分析 徐 鲁辉 ， 李福 东 ， 张超 ， 张晓永 ， 宗成 国 山东科 技大 学机 械 电子 工程学 院 ，山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 摘 要 对 于 多机 驱动 的带式 输送机 ， 为 防止 因电动机 严 重偏 载 而导 致设 备损 坏 ， 必须 关 注 多机 间 的功 率 平衡 问题 。文章 介绍 了液体 黏性 传动装 置 的结构 与工作 原 理及 其液 压伺 服控 制 系统 原理 ， 给 出 了一 种 利 用 液体黏性 传动 装置 实现 带式输送机 功 率平衡调 节 的 电流控 制 法原理 ， 即通过 改 变液 体 黏性 传 动 装置 所 配 用 的液压伺服 控 制 系统 中各 个 电液 比例 阀 中电流的 大 小， 使 液 体黏 性传 动 装 置 中的控 制 油压 改 变以调 节 各 电 动机 的 负荷 大小 ， 从 而改 变电动机 的 电流 ， 以使 多台 电动机 功 率趋 于一致 或相 差在允许 的范 围 内。实际应 用 表 明 ， 基 于 电流控 制 法对 带式输送机 进行 功率 平衡调 节不仅 能满足输 送 带的启动及 功 率平衡 要 求 ， 还便 于安 装 维护 ， 经济适 用 。 关键 词 带式输送机 ；多机 驱动 ；液体 黏性传 动 装置 ；电流控 制 功率平 衡 法 中图分类 号 T D 6 3 4 ． 1 文 献标识 码 B 网络 出版 时 间 2 0 1 1 0 4 2 8 1 9 4 2 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 1 0 4 2 8 ． 1 9 4 2 ． 0 1 1 ． h t mI Re s e a r c h o f Po we r Ba l a nc e o f Be l t Co n v e y o r Dr i v e n b y M u l t i mo t or a n d I t s An a l y s i s XU Lu hu i ，LI Fu do n g， ZHANG Cha o， ZHANG Xi a o y on g， ZONG Ch e ng gu o Co l l e g e o f M e c ha ni c a l a nd El e c t r on i c En gi n e e r i ng o f Sha nd o ng Uni v e r s i t y of S c i e nc e a nd Te c hn ol o g y Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r b e l t c onv e y or d r i v e n b y mul t i mo t o r ，t he p r ob l e m o f mul t i mot or p owe r ba l a nc e m u s t be p a i d a t t e nt i on t o f o r pr e v e nt i ng e q ui p me nt s f r om be i ng de s t r o y e d by u nb a l a n c e d l o a d i ng o n i n di v i d ua l mo t o r ．Th e p a p e r i n t r o d u c d s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r o v i s c o u s d r i v e r a n d p r i n c i p l e o f i t s h yd r a ul i c s e r v o c on t r o l s y s t e m ，ga v e p r i nc i p l e o f a c u r r e nt c o nt r o l me t ho d whi c h us e s hy dr o v i s c ou s d r i v e r t o a c hi e v e m u l t i mot or p o we r b a l a n c e o f b e l t c o nv e y o r ， na m e l y， t h e c o nt r o l o i l pr e s s ur e of t h e h yd r o v i s c o u s d r i v e r i s c h a n g e d t o a d j u s t l o a d o f e a c h mo t o r b y c h a n g i n g c u r r e n t o f e v e r y e l e c t r o h y d r a u l i c p r o po r t i on a l v a l ve us e d i n t h e hy d r a ul i c s e r v o c o nt r ol s y s t e m of hy d r o vi s c ou s dr i v e r ， S O a s t o c h a ng e c u r r e nt s of mot or s a n d ma ke a l 1 t he mo t o r s c a n wo r k wi t h t he s a me p o we r o r wi t h p owe r di f f e r e nc e wi t hi n a l l o we d r a n g e ．Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s s h o we d t h a t a d j u s t me n t o f p o we r b a l a n c e o f b e l t c o n v e y o r b y t h e c u r r e nt c on t r o l me t h od no t o n l y me e t s r e q ui r e m e n t s o f s t a r t u p a n d po we r b a l a nc e of t he b e l t c o nv e y o r ，b ut a l s o i s c onv e ni e nt t o i ns t a l l a n d ma i nt a i n a n d e c on o m i c ． Ke y wo r ds be l t c on ve y o r，m u l t i mo t o r d r i v e n，hy d r o v i s c o us dr i v e r ，p owe r b a l a n c e m e t ho d o f c ur r e nt c o nt r o 1 收 稿 日期 2 0 1 l 一 0 1 2 0 作者简介 徐鲁辉 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东聊城人 ， 硕 士研究生 ， 研 究 方 向为 机 电控 制 与生产 过 程 自动化 。E ma i l x u l u h u i 2 0 0 4 1 6 3 ． com 0 引言 在 实 际生 产 过程 中 ， 随 着 煤矿 生 产 机械 化程 度 的提高 ， 带式输 送 机也在 不断地 改进 与发 展 ， 其运 距 越来 越长 ， 单条 带式输 送 机 的装 机功率 越来 越大 ， 驱 6 4 工矿 自动化 2 0 1 1年 5月 动 电动机 也 由单 电动 机驱 动 发 展 到多 电动 机 驱 动 ， 由集 中驱 动方式 发展 到多点 驱动方 式 。对 于大功 率 的带式输 送机通 常采用 相 同性能参 数 的鼠笼 型异 步 电动机、 多滚筒驱动 ， 可 以减小胶带强度 、 降低 电网 峰值 ， 有利于设备小型化及降低设备成本。 异步电动机的动力性能不能满足带式输送机的 生产性能要求， 需要通过传动机构来实现它们之间 合理 的性 能匹配 。对 于 多 机驱 动 的 带式 输 送机 ， 为 防 止因 电动机严 重偏 载 而 导致 设 备损 坏 ， 比如 烧毁 电动机或 加大对输 送带 的冲击 力 ， 从 而影响 生产 ， 必 须关 注多 机间 的功率平衡 问题 。带式 输送机 的软启 动及 功率 的平衡 调 节有 多 种手 段 ， 通 过使 用 安 全性 液力 耦合 器 、 调速 型液力 耦合器 、 液体 黏性传 动装置 和 变频驱 动技术 均可实 现性能 匹配及 负载平 衡 。本 文将对利用液体黏性传动装置实现多机驱动带式输 送机 的功率 平衡 问题展 开讨论 _ 1 ] 。 1液体黏 性传动 装置 的工作 原理 液体 黏性传 动装置 内部交 叉布 置着主动 摩擦 片 和从 动摩 擦片 ， 主动摩擦 片安装 在 主动轴上 ， 与 电动 机 相连 ； 从 动摩擦 片安 装 在从 动 轴 上 ， 与负 载 相连 。 装 置根据 牛顿 内摩擦定 律 ， 利 用液体 的黏性 ， 通过 油 膜 剪切力 来传递 动力 。改变装 置 中的加压 活塞可 以 调节装置的控制油压 ， 改变主、 从动摩擦片间的油膜 间隙可以调节输 出转矩 ， 从而实现对 电动机输 出功 率 的调节 。该装 置可 以对带 式输送 机起 到软启 动的 作用， 以减小重载启动时对电气和机械装置的冲击。 液 体黏性 传动装 置结 构如 图 1 所示 _ 3 ] 。 1 ’ 3 4 ， O 1 一输入轴 ； 2 一控制油 ； 3 一润滑油 ； 4 一输出轴；5 一油箱； 6 一从动摩擦片 ； 7 一主动摩擦片；8 --加压活塞 图 1 液体黏性 传动装置结构 当电动机带 动主 动摩擦 片 以 c u 转动时 ， 在两 摩 擦片间的液体剪切力作用下 ， 扭矩 由主动摩擦片传 至从动摩擦片， 使从动摩擦片带动负载以 0 9 z 转动， 由油膜剪切理论可知 ， 其传递 的扭矩 M 为 M 7 c O J 1一 2 r 一 r ／ 2 h 一 7 1 7 ／ r ； 一 r 1一 ／ 2 h 1 式 中 ／ 1为油 的动 力黏 度 ， P aS ； n为 圆盘 油 膜 数 ． r 2 为 圆盘油 膜外半 径 ， m； r 为 圆盘油膜 内半 径 ， m； h为油 膜厚 度 ， m； i 为 从 、 主 动轴 之 间 的传 动 比， ．C U2 2 一o C O 1 液体黏性传动装置的液压伺服控制系统由 2个 部 分组 成 ， 一个 是液压 控制 系统 ， 其 主要作 用是 调节 油膜厚 度 ， 从 而调节输 出速度 与转 矩 ； 另 一个是 润滑 冷 却 系统 ， 其 主要作用 是保证 主 、 从 动摩擦 片 间润滑 以形成 油膜来 产生剪 切扭矩 和释放 由于摩 擦片 滑差 而产生 的热量 。其原 理如 图 2所示 。 去润滑 去液压 冷 却 系 统 控 制 系统 1 、 7 一粗滤油器； 2 一润滑泵 ； 3 一润滑泵 电动机 ； 4 、 1 O 一单 向阀 ； 5 、 1 2 、 1 3 一压力表 ； 6 一油箱 ； 8 一控制泵 ； 9 一控制泵电动机 ； l 1 一精滤油器 ； 1 4 一电液比例 阀； 1 5 一溢流阀 图 2 液体黏性传动装置的液压伺服控制 系统原理 2 功率 平衡调 节的基本 原理 电动机功率 P ／ 3 UI c o s ， 因各电动机在额定 负载范围内运行时采用 同一电压供电 ， 且功率 因数 也 近似相 等 ， 所 以 电动 机 的功率 P正 比于 电流 I ， 可 将各电动机的工作电流作为功率平衡调节的依据。 如果每 台 电动 机 的工作 电流 相 等 ， 则 实现 了电动 机 的功率 平衡 。 多机驱动带式输送机功率平衡问题主要采用以 下方法解决 通过改变液体黏性传动装置所配用 的 液压伺 服 控制 系统 中各 个 电液 比例 阀 中 电流 的大 小 ， 使 液体黏 性传 动装置 中 的控 制油压 改变 ， 以改变 主 、 从 动摩擦 片 间的油膜 厚度 ， 调节各 电动机 的负荷 大小 ， 从而改变电动机的电流 ， 以使多台电动机功率 趋 于一致 或相差 在允许 的范 围 内。 液 体 黏性 传 动 装 置一 般 应 用 于上 运 带 式输 送 机 ， 其驱动电动机工作于电动状态 。异步电动机的 2 0 1 1年 第 5期 徐 鲁辉 等 多机驱 动 带式输送 机功 率平衡 的研 究 与分析 6 5 机 械特性 曲线如 图 3 所 示 。 ∞ ∞ O o N s t ma x 一 电动机 的角速度 ； T--电动机输出力矩 ； o 一同步角速度 ； 一 额定角速度 ； TN 一额定转矩 ； T t 一启动转矩； T ⋯ 一最大转矩 图 3 异步电动机 的机械特性 曲线 由于三 相异 步电动 机在额 定工作 点 附近特 性较 硬 ， 故 可将 HP段近 似 看作 斜 直线 。电动 机 的 同步 角速 度 。 、 额 定角 速度 和额定 转矩 丁 N可 由电动 机铭牌 得 出 。 电动机 的特性 方程 为 一 T 。 2 一 一上T U O 厶 』 N 根据 液体 黏性 传 动装 置 的工 作 原理 可 知 ， 在 调 节 功率平 衡 时 ， 式 1 中的 、 h、 M 均为 变 量 。所 以 要 将式 2 与之 联立 [ 4 ] 。 对 于确 定 的 电动 机 、 液体 黏 性传 动 装置 和工 作 介 质 来 说 ， n 、 叫 、 o 、 T 、 r z 、 r 】均 为 定 值 ， 令 r 一r 一是 ， 一是 ， 有 M 兀 c J 1 一 2 r 一 r ／ 2 h一 7 c ∞ l 7 2 r 一 r 1一 i ／ 2 h k l 1 1一 i ／ h 3 在液体黏性传动装置中， 当油膜所传递的力矩 为 电动机工作 时 的输 出力 矩 即 M T 时 ， 计算得 T 一 4 在 多机 驱 动 带 式 输 送 机 的功 率 平 衡 调 节 过 程 中 ， 为避 免 因功率 平 衡 的调 节 而 导 致 的带 速 降 低 问 题 ， 可将一 台液体 黏性传 动装 置处 于结合 工况 ， 也就 是直 接传 动状态 。此时 的传动 比 i 在调 节前 后是 不 变 的 ， 丁就成 了油 膜厚 度 h的单 值 函数 。油膜 厚 度 的改变 会使 液体 黏性 传 动装 置 所 传 递 的扭 矩 变 化 ， 进而改 变 电动机 的负 载 大小 ， 这 样 就 改 变 了 电动 机 的输 出功率大 小l 5 ] 。 3实现 功率 平衡调 节的 电控 系统 电控 系统是 以驱 动 电动机 同时刻 总电流 的平均 值为基准来进行调节 的。在对该参数进行处理时 ， 各 电动机 的负 载 电 流 经 电 流 变送 器 变 换 为 电压 信 号 ， 然后再 将变 送 过来 的电 压信 号 取平 均值 。电控 系统 原理 如图 4所示 。 V1 1号电动机电压值 ； V 2 2号电动机电压值 V。 一1号电动机与 2号 电动机 的电压平均值 图 4电控 系统 原 理 带 式输送 机启 动 完 毕 ， 油 膜厚 度 为 零 后 再度 进 行 调节 。控制 油压 调节 的范 围在硬 件上设 定 在某 区 间内 ， 每 台 电动机 的功 率 大 小 的调 节 也 只 能 在该 范 围内进行 。在 P L C程 序 中将 所 有 驱 动 电 动机 电流 相加 取其 平均值 ， 然后 每 台 电 动机 电流 与 平均 值 相 比较 ， 超 过或低 于规 定 值 时 ， 驱 动输 出 口 即 电液 比 例 阀 作 间歇式 开 1 0 ms ， 停 1 0 ms 的加压 或减 压 ， 直到 各 电动机功 率达 到平衡 为止 。各 电动 机功率 不 平衡值 在 5 以 内 即认 为 功 率 平 衡 。基 于 P I C 的 功率平 衡调 节框 图如 图 5 所 示_ 1 ] 。 4 结 语 P L C数据处理 二]二 P L C功率比较 广 P L C控制输出 厂 电液比例阀 线 圈电流变化 调节 电动机功率 二二[二 输 出力矩 改变 二二[ 油膜厚度改变 控制油压变化 图 5 基于 P I c的功率平衡调节框图 应用 液体 黏性 传动装 置可 以满 足带 式输送 机软 启动 和功 率平 衡 的生产要 求 。基于 电流控 制法对 带 式输送机进行功率平衡 调节 已经在现场应用 ， 效果 良好 ， 不仅能满足输送带的启动及功率平衡的要求， 还便于安装维护， 经济适用 。 参考文献 [ 1 ]于岩 ， 毕可友 ， 朱路 群． 带式输 送机多 电机拖 动功率 平 衡 调 节 系统 的 研究 [ J ] ． 山 东矿 业 学 院学 报 ， 1 9 9 4， 第 5期 2 0 1 1 年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 5 M a y 2 0 1 1 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 O 5 0 0 6 6 0 5 基于串口服务器的供水控制器远程控制系统 陈平 ， 郝 继 飞 ， 周 晓飞 中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对传 统供水控 制 器采 用 串I 2 组 网方式存 在传输 距 离短 、 通信 速率低 、 系统 成本较 高 、 维护 困难 等 问题 ， 提 出 了一种基 于 串口服 务 器 的供 水控制 器远程 控 制 系统 的组 网设计 。 以变频 恒压供 水控 制器 C P S 一 2 1 c 为例 ， 介 绍 了组 网过程 、 通信协议 及 通信 软 件 的设 计 。 实际应 用表 明， 该 系统数 据 传 输稳 定 ， 易于操 作 ， 大 大提 高供 水控 制 效率 。 关键 词 供 水控 制器 ；远程 监控 ；串口服 务 器 ；互联 网 中图分类号 TD 4 3 4 文献标识 码 B Re mo t e Co n t r o l Sy s t e m o f W a t e r Su p pl y Co nt r o l l e r Ba s e d o n Se r i a l S e r v e r CHEN Pi n g， HAO J i f e i ， ZHOU Xi a o - f e i S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g o f CUM T． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m s o f s h or t t r a n s mi s s i on d i s t a nc e，l o w c o mm u ni c a t i o n r a t e，h i g h c os t a n d di f f i c u l t ma i n t e n a c e e x i s t e d i n t r a d i t i on a l wa t e r s u pp l y c o nt r ol l e r c a u s e d by ne t wo r ki ng mod e of s e r i a l po r t ， t h e p a p e r pr o p os e d a n e w ne t wo r ki n g d e s i g n of r e mot e c o nt r ol s y s t e m o f wa t e r s up pl y c on t r o l l e r ba s e d o n s e r i a l s e r v e r ． I t i n t r o du c e d ne t wo r ki n g p r o c e s s ， c o mm u ni c a t i on pr o t o c ol a nd d e s i g n o f c ommun i c a t i o n s o f t wa r e t a ki n g CPS - 2 1 c wa t e r s up p l y c o nt r ol l e r wi t h f r e q u e c y c o nv e r s i o n a nd c o ns t a n t pr e s s ur e a s a n e x a mp l e ．The a c t u a l a p pl i c a t i on s h owe d t he s y s t e m i s s t a b l e i n t r a ns mi t t i ng da t a a n d e a s y i n op e r a t i o n， wh i c h g r e a t l y i mp r o v e s c o nt r ol e f f i c i e n c y． Ke y wo r dswa t e r s u p pl y c o nt r o l l e r ，r e mo t e mon i t o r i n g，s e r i a l s e r v e r，I n t e r n e t 0 引言 随着 通信 技 术 的不 断发 展 ， 人 们对 供 水控 制 的 网络 通信 和监控 功能 的要求越 来越 高 。现代 社会 小 区中供水 控制 已不 是简 单 的 控制 单 元 ， 它 正在 向集 中化 、 无人化 、 网络化 控 制 方 向飞 速发 展 ， 这 样 可 以 降低 自来水厂能源消耗 ， 也是现代社会发展 的必然 要 求 。 自来 水 厂 恒压 供 水 系统 一般 是 闭环 系 统 ， 由 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 2 4 作者 简介 陈平 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山西大 同人， 硕士研究生 ， 主要研 究方向为控制工程。E ma i l c p 一 5 2 5 1 6 3 ． c o rn 供水控制器 、 变频器、 水泵 、 传感器 、 P L C等组成 ， 由 传 感器 和一些 智能 仪 表采 集 数 据并 传 送 到 上位 机 ， 从 而实 现对 现场 的控 制口 ] 。 目前 ， 市 场 上 大 多数 供 水控制器都带有串行接 口， 但基于串 口组网已不能 满足 工业 的需 要 ， 只适合单 机操 作 ， 并且 受传输 距离 以及通信 速率 等的 限制 ， 成本 较高 ， 维护 困难 。本 文 以徐州康红 自来水公司项 目中使用的恒压供水控制 器 C P S 一2 1 c 以下简 称 2 1 c 为 例 ， 提 出 了一 种新 的 组 网方式基于串口服务器的组网方式。该方式 解决了上述距离限制、 系统成本高等问题， 它通过互 联 网组 网 ， 实 现 了对 各类供 水控制 器 的远 程监控 。 E 2 ] E 3 ] 1 3 2 】 3 0- 1 34 ． 韩东劲 ， 梁 平 ， 蒋 卫 良． 带 式 输 送 机差 动 液黏 调 速 器 多机功率 平 衡 的研 究 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 6 ， 3 1 6 8 29 83 2． 魏宸官 ， 赵 家象． 液 体粘 性传 动技 术 [ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 1 9 9 6 ． E 4 3 周满 山， 于 岩， 张媛． 带 式输 送 机 用 油膜 离 合器 的软 起动研究[ J ] ． 工程机械 ， 1 9 9 7 1 0 9 - 1 2 ． [ 5 ] 马士龙． 带式输送 机多 电机 驱动功 率平衡 问题的研究 [ D ] ． 青岛 山东科技大学 ， 2 0 0 7 ．