基于速度控制的多级带式输送机顺序启动方法.pdf

第 4 3卷 第 1 期 2 0 1 7年 1 月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o mat i o n Vo 1 ． 4 3 NO． 1 J a n ．2 O1 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 5 2 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 1 3 张雅俊 ， 乔铁柱． 基于速度控制的多级带式输送机顺序启动方法E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 5 2 5 5 ． 基于速度控制的多级带式输送机顺序启动方法 张雅 俊 ， 乔 铁 柱 s k 原理工大学 山西省测控技术与新型传感器工程技术研究中心 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 为 了提 高带式输 送机 的 节能效 率 ， 提 出 了一种 沿物 料运 送 分向顺序 启 动的 多级 带式输 送机 控制 方 法。在胶带上物料横截面积最大的前提下， 该方法首先建立带速与负载的 匹配模型， 然后通过设计科 学合理 的加速 曲线 ， 实现 带 式输送 机软 启动后 的速度 与 匹配 带速之 间 的变频调 节 ， 最后 计算各 级 带式输 送机 顺序 启 动的控 制 时 间。仿真 分析 结果 表 明 ， 该方 法 的节 能效率 为 1 2 。 关键词 多级带式输送机；速度控制；顺序启动 ；节能效率 中图分 类号 T D6 3 4 ． 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 2 3 0 1 O 2 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． 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 6 1 2 3 0 ． 1 0 2 8 ． 0 1 3 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 0 9 0 7 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 2 0 3 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 山西省 自然科学基金项 目 2 0 1 6 0 1 D0 1 1 0 5 9 。 作者简介 张雅俊 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山西 吕梁 人 ， 硕士 研究 生 ， 主要研 究 方 向为新 型传 感器 与智 能控 制 、 测试计 量 技术 与煤 矿 电气 自动化 等 E ma i l 8 3 7 3 1 0 6 8 6 q q ．c o rn。 4 结 语 搭 建 了基 于 HL A 技术 的综 采 工作 面复 杂装 备 嵌 入式 协 同仿真 平 台 ， 针 对平 台实 现 的关 键技 术 开 发 了 MA TL AB 、 AD MAS软件 适 配 器 和 P L C、 数 据 采集卡硬件适配器。通过综采工作面“ 三机” 协 同控 制 系统 实例 验证 ， 该 平 台能 够满 足 综 采 工 作 面 复 杂 装 备 实时嵌 入式 仿真 需求 。 参 考 文 献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] _ 王金华 ． 我 国煤矿开采机械装备及 自动化技术新 进展 [ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 1 4 ． 樊启 高． 综采工作面“ 三机” 控制 中设备定位及任 务协 调研 究[ D ] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 1 3 ． 张睿 ， 王之腾 ， 张宏 军 ， 等． 浅析 建模 与仿真 领域 的现 状 与发展 趋势[ J ] ． 系统仿真 学报 ， 2 0 1 3 ， 2 5 增 刊 1 5 2 5 5 ． 唐树 才． 基 于扩 展 HL A 的 协 同仿 真支 撑 环 境研 究 E D ] ． 北京 清华 大学 ， 2 0 0 8 ． 赖明珠 ， 段 志 鸣 ， 刘 素艳 ， 等． 基于 HL A 的多领域 协 同仿 真模 型集成研 究[ J ] ． 计算 机工程 ， 2 0 1 2 ， 3 8 1 6 7 7 8 O ． 岳英 超 ， 肖田元 ， 范 文慧 ， 等． 面向高 速动 车组列 车的 协 同仿 真 平 台 [ J ] ．系 统 仿 真 学 报 ， 2 0 1 l ， 2 3 8 ] 6 8】 一 ] 6 85 ． [ 7] [ 8] [ 9] E l o ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] 陈新 ， 范文慧 ， 岳英 超． 一种支持异构操作 系统 的协 同 仿真运行支 撑 系统 [ J ] ． 系统 仿 真学 报 ， 2 0 1 l ， 2 3 增 刊 1 8 3 8 5 ． 任来 红． 基于 HL 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M e a s u r i n g a n d Co n t r o l l i n g Te c h n o l o g y a n d Ad v a n c e d Tr a n s d u c e r s ， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o i n c r e a s e e ne r g y s a v i ng e f f i c i e nc y o f be l t c o nv e y o r s，a c o nt r o l m e t ho d o f s e q ue nc e s t a r t a l o ng t he d i r e c t i o n o f m a t e r i a l t r a ns p o r t f o r m ul t i l e ve l be l t c o nv e yo r s wa s pr o po s e d．On t he p r e mi s e o f m a xi mum u t i l i z a t i o n of ma t e r i a l c r o s s s e c t i on on t he be l t ，f i r s t l y，m a t c h i ng m o d e 1 be t we e n be l t s pe e d a n d l o a d wa s b u i l t ．Th e n，f r e q u e n c y a d j u s t me n t b e t we e n b e l t s p e e d a f t e r t h e s o f t s t a r t a n d t h e ma t c h i n g be l t s pe e d wa s i mpl e m e n t e d by d e s i gn i n g s c i e n t i f i c a nd a v a i l a bl e a c c e l e r a t i o n c u r v e．Fi n a l l y，t he s e q ue nc e s t a r t c o nt r ol t i me o f mul t i l e v e l be l t c o nv e y o r s wa s c a l c ul a t e d． The s i mu l a t i o n r e s ul t s s ho w t h a t t h e me t h od i nc r e a s e s e ne r g y s a v i ng e f f i c i e nc y t O 1 2 ． Ke y wo r d s mul t i l e ve l b e l t c o nv e yo r s；s p e e d c o nt r o l ；s e q ue nc e s t a r t ；e ne r gy s a v i n g e f f i c i e n c y 0 引言 带 式输 送 机是 运 输 散状 物 料 的 主要 设备 ， 随着 它 的广 泛 使 用 ， 节能 降 耗[ 1 ] 成 为一 个 重要 的研 究课 题 。速度 控制 [ 2 是 减 少带 式 输 送 机 能 量 消 耗方 法 中非常重 要 的一 种 。 当前 ， 多 级 带式 输 送 机 是按 照 逆 序方式 启动 的 ， 即从 物 料 运送 的反 方 向依 次启 动 所有的带式输送机 ， 全部启动完毕且稳定运行后 ， 才 给 带 式输 送 机 上料 ] ， 这 极 大增 加 了带式 输 送 机 的 空 载运 行时 间 ， 带来 了大量能 量 的浪费 ， 也造 成 了不 必 要 的机械磨 损 。 现 有 的多级带 式输 送机顺 序启 动方 法通 过在 各 级 带式 输送 机 机 头 附 近安 装识 别 物 料 流 动 的传 感 器L 5 来计算各级带式输送机的启动控制 时间。这 种 方法存 在 以下局 限性 ① 受传 感 器精 度 和复 杂 环 境 的制 约 ， 很 难 准确 检 测 到物 料 的流 动 ； ② 若 胶 带 上 留有间断的残余物料 ， 极易发生误判操作 ， 造成多 级 带式 输送 机 提前 启 动 ， 增 加 空 载 运 行 时 间 ； ③ 没 有 根据 不 同 负 载 匹 配 得 到 相 应 的 运 行 带 速 [ 7 ] 。为 此 ， 本文从实用性和节能降耗角度出发 ， 提出了基于 速度控制的多级带式输送机顺序启动方法。 1带 速与 负载 的匹 配模 型 在 第 一1 级 恒 速 运行 的带 式输 送 机 机 头 安装 检 测 物 料横 截 面 积 的装 置 ， 单位 采 样 时 间 内检 测 到 的负载 大小 为 1 r￡ T一 ， I A ，广 1 d t 1 c J 0 式 中 y为物料 的密 度 ； t 为 采 样 时 间 ； A ￡ 为 物 料 的横 截面积 ； 一 为第 一1 级 带式 输送 机 的速度 。 在保持胶带上物料横截面积最大的情况下， 带 速与 负载 为线 性 关 系 。带 速 与 负载 T 的 匹 配模 型为 r 一 是 T 1 一 2顺 序启 动控 制 方法 首先依据式 1 计算出带式输送机的负载 ， 然后 通 过式 2 得到 与该 负载 匹配 的带速 ， 当此 带速 不等 于带 式输 送机 软启 动 后 的 速度 时 ， 需 要 进 行 变频 调 速 。 由于带式 输送 系统具 有非 线性 、 复杂性 的特 点 ， 设 置速度 ￡ 和加 速度 a 的数学 表达式 为 ．』 1 c。 s }I 。 。 ≤ ≤ 一 号 s in 署 3 式 中 t 为速度 变 化 A v所需 要 的加 速时 间 ； 为初 速 度 。 为 了减 少 空 载运 行 时 间和 防 止溢 料 的 发生 ， 加 速 时间应 该尽 可 能 小 ， 最 大 加 速 度 a ⋯ 和最 小 加 速 时 间 t d , m i n 分别 为 r一-- 71 ／．．VUA v 一 号 ㈩ I￡ 一 l I 4 1 ． 7 c ＼ ， t d, m i n一 一 2 通过检测 第 一1级带式输送机 的负载大小 T l ， 计算得到匹配带速 。经时间 t 后， 进行第 Y ／ 级 带式输送机 的软启动 ， 并调节带速 到 ； 经时间 t 后 ， 进行 第 1 级 带 式 输 送机 的软 启 动 ， 并 调节 带 5 4 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 速到 。整个顺序启动运行过程 P I c程序流程如 图 1 所 示 。其 中 ， 。 为 带 式 输 送 机 软 启 动 后 的 速 度 ； L 。 ， L分别 为 恒 定 、 可调 速 度 的带 式 输 送机 的运 输 距 离 ； t 为软 启动 过程 的时 间 ； t 。为软启 动 完毕 后 调速 之前 的稳定 运行 时 问 。 图 2 带速与负载 的匹配模 型 带 式输送 机 的软启 动方 程 为 图 1 多级带式输送机顺 序启动 P L c程序流程 一 3 仿 真分 析与 功耗 计算 3 ． 1仿 真 分 析 以某煤矿为研究对象， 其最大负载为 3 0 0 0 t ／ h ， 达 到物料 横截 面积 最 大 时 的匹 配 带 速 为 5 ． o m／ s 。 共 3级带式输送机 ， 运力相 同， 且各 自首尾依次搭 接 ， 第 1级带式 输送 机 以恒 速 5 ． 0 m／ s 运行 ， 运输 距 离 L 0 为 7 0 0 1T I ， 其他参数与第 2 ， 3级带式输送机的参 数相同， 第 2 ， 3级带式输送机参数见表 1 。 表 1 带式输送机参数 为防止溢料的发生， 在胶带上物料横截 面积最 大 的前 提下 ， 依 据经 验 将 与 负载 匹配 得 到 的 带 速提 高 1 0 ， 结合 式 2 建立 带 速与 负 载 的 匹配模 型 ， 如 图 2所 示 。 等 。 ≤ 每 一 等 一 ta ≤ ≤ f ≤ r 5 ￡ r ≤￡ ≤ r t ≥ r t 式中 为爬行带速 ， 0 ． 5 m／ s ； 。 为软启动结束后 的带 速 ， 3 ． 3 m／ s ； t 为爬 行 加 速 阶 段 时 间 ， 2 2 s t 为 主加 速阶段 时 间 ， 5 0 S ； r为爬 行 阶段 时 间 ， 1 8 S 。 在 瞬 间加 速 过 程 中 ， 张力 过 载 和胶 带 打 滑是 带 式输送机常见的 2种故障。在这 2种情况下 ， 加速 度 最大 值 的计 算公 式[ 9 ] 为 m． s z z 2 L ⋯⋯ m Tg ⋯ ， {_ C f g 7Ia m axl - C J g s 一 ⋯⋯⋯～ ， s 一 0 ． 1 4 5 6 x z _ 一 [ e x p u a -- 1 ] mT g c g 0 ． 0 7 6 7 式 中 g为重力 加速 度 。 a m a x 为这 2种情况下分别计算出的最 大加速度 中的最 小值 ， 即 a I ． z 一 mi n a l ， a x 2 一 0 ． 0 7 6 8 当与 负载 匹配 的带速 为 4 ． 4 m／ s 时 ， 按 照式 4 计算出从软启动结束后的带速 加速到此 匹配带 速 的最 小 时间 t i 为 号 一号 一 2 2 ． 7 ≈2 3 9 各级 带式输 送 机按 照式 5 进行 软启 动 ， 加速 过 程按照式 3 进行， 各级带式输送机顺序启动的运行 曲线如图 3所示 。其 中， H D， L F分别为第 2 ， 3级 2 0 1 7年 第 1 期 张雅 俊 等 基 于速度 控制 的 多级 带 式输送机 顺 序启 动方 法 5 5 带式 输 送 机 的软 启 动 阶 段 ， 各 历 时 9 0 S ； D - E， F - G 分别 为第 2 ， 3 级 带式输 送机 软启 动完毕 后加 速运行 前 的稳 定运 行 阶段 ， 根据 经验 各历 时 1 0 S ； E A， G B 分别 为第 2 ， 3级 带 式 输 送 机 的 加 速 阶 段 ， 各 历 时 2 3 S ； A B为第 2级 带 式 输 送 机 以 4 ． 4 m／ s 稳 定 运 行 阶段 ； B C为第 2 ， 3级 带 式 输 送机 以 4 ． 4 m／ s 稳 定运行 阶段 。 时 同 ／ 0 图 3 多级带式输送机的顺序启动 3 ． 2功耗 计 算 3 ． 2 ． 1 速度控 制 的功耗计 算 带式 输送机 的能耗方 程[ 1 o ] 为 P ．v ， T 一 0 T 2 v T q - 譬 o ． U 1 0 式中 ， ， ， 是一个具体 的带式输送机的 4个 常数， 这 里计 算 出 D一[ 0 0 。0 ] 一[ 0 ． 0 0 3 6 8 7 0 0 0 ． 0 0 3 1 5 0 ． 3 9 0 2 ] 。 对式 1 O 进行一 阶求导 ， 求 出 P ，T 的最 小 值 P i 一 f ，T 。带 式 输 送 机 功 耗 曲 线 如 图 4所 示 ， 其 中标 出 了在 物 料 横 截 面 积 取 最 大 值 A 时 的能 耗 值 P 一f v ，A一 。若 带 式 输 送 机 不 是按 照 匹配带速 运行 ， 那么 功耗 就会增 加 ， 否则会 因为减 速而 产生溢 料 。 带速／ m s - l 1 图 4带式输送机 的功耗 曲线 在负载为 2 4 0 0 t ／ h时 ， 匹配前各级带式输送机 以 5 ． 0 m／ s运 行， 匹 配后 带 速 为 4 ． 0 m／ s ， 依 据 式 1 0 计算匹配前后的功耗 P ， P ， 则节能效率为 D r 7一 l O 0 一 1 2 ． O ％ 1 1 3 ． 2 ． 2 节 省 的空载 时 间计 算 若 多级 带 式输 送 机依 据 逆 序方 式 启 动运 行 ， 且 以 5 ． 0 m／ s 恒 速运 行 ， 每天启 动 3次 ， 则 第 2级带 式 输送 机每 天空 载运行 时 间为 t 2 l h一 7 0 0 ／ 5 x 3 1 ／ 3 6 0 0 一 0 ． 1 2 1 2 第 3级带式输送机每天空载运行时间为 t 3 l h一 7 0 0 ／ 5 1 0 0 0 ／ 5 3 1 ／ 3 6 0 0 一 0 ． 2 8 1 3 第 2 ， 3 级 带式 输送 机每天 空载 运行 总时 间为 t 2 3 l h t 2 t 3 0 ． 1 2 0 ． 2 8 0 ． 4 0 1 4 由 于 第 2 ， 3级 带 式 输 送 机 由 2 台 功 率 为 2 5 0 k w 的 电 动 机 驱 动 ， 则 采 用 顺 序 启 动 方 式 后 ， 1 a 按3 0 0 d计 算 理论节 约 的 电能 为 V l k w ． h 一 2 5 040 ． 4 03 0 0 1 2 0 0 0 0 1 5 4 结 语 为 了提高 带 式输 送 机 的节 能 效率 ， 提 出基 于速 度 控制 的多级 带 式输 送 机 顺 序启 动 方 法 ， 实 现 了 多 级 带式 输送机 问的 “ 无 缝 ” 衔 接 。测 试 结 果表 明 ， 该 方 法有 效地缩 短 了带 式 输 送 机 的空 载 运 行 时 间 ， 提 高了带式输送机的节能效率 ， 具有较高的应用价值 。 参考文献 [ 1] 谢青海 ， 黄 亮．基于 P L C的煤矿 带式 输送机 的 电气 节能技术研究 [ J ] ．煤炭技术 ， 2 0 1 2 ， 3 1 1 4 0 4 2 ． [ 2] K OHL E R U， S Y KUL L A M， WUS C HE K V． Va r i a bl e - s p e e d b e l t c o nv e y or s ga i ni ng i n i mpo r t a n c e [ J ] ．B r a u n k o h l e S u r f Mi n ， 2 0 0 1 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d E n e r g y ， 2 O 1 1 ， 8 8 9 3 0 6 1 3 O 7 1 ．