中间卸载式长距离带式输送机驱动控制策略.pdf

第 4 3卷 第 7期 2 O 1 7年 7月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i ne Aut oma t i on Vo 1 ． 43 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 7 0 0 4 8 0 5 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 7 ． 0 1 0 中闻卸载式长距离带式输送机驱动控制策略 黄 忠 河 ， 王世博 中国矿 业大 学 机 电工 程学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针对 中间卸 载式 带式 输送机 在 卸载 滚 筒的驱 动控 制 不 当时可 能 出现 滚 筒打 滑 、 跳 带 、 输 送带松 弛 、 物 料堆 积 、 中部 和 头部 电动机 功 率 负载 不平衡 等 问题 ， 提 出利 用 B e l t An a l y s t 软件 对 2种 中间卸 载式 输 送机 驱 动控 制 方案进 行仿 真 ， 并通 过 比较得 出最优 的 多 电动 机 协调 方案 离主控 制较 近 的驱 动采 用扭 矩跟 踪 ， 相 距较远的采用速度跟踪并延迟启动， 延迟启动条件设 为检测到 2 额定带速较合理。为更好地减 小输送带 的动 张力和 消除输 送 带的黏 弹性振 动 ， 分析 比较 了 匀加 速 、 组合 匀加 速 、 组 合摆 线 、 组合抛 物 线等 4种速 度控 制 方式 的控 制 曲线 和动 载荷 ， 得 出合理 的启动 曲线应具 有 的特 征 启 动 的 时 间足 够 长 ， 以保 证 启动 加速 度 小 于规 定 的加 速度 ； 启 动加 速度 较 小且 没有 突变 ， 因为动 张力 的 大小主要 取 决 于加 速度 最 大值 。 关键 词 煤矿 运 输 ；带 式输 送机 ；中间卸载 式 ；驱 动控 制 ；多电动机 控制 ；电动机控 制 曲线 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 7 0 6 2 7 1 6 3 4 网络 出版地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 O 1 7 0 6 2 7 ． 1 6 3 4 ． 0 1 0 ． h t m1 Dr i v i n g c o nt r o l s t r a t e g y o f i nt e r me d i a t e u n l o a d i n g l o n g d i s t a n c e be l t c o n v e y or HU ANG Zho ngh e， W ANG Shi b o Sc ho ol o f M e c h a ni c a l a nd El e c t r i c a l En gi n e e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y o f M i ni n g a nd Te c hn ol o gy，Xu z h ou 2 21 1 16，Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e ms s u c h a s r o l l e r s k i d d i n g ，b e l t j u mp i n g ，b e l t l o o s e n i n g，ma t e r i a l s t a c k i n g ， u nba l a n c e d p owe r l oa d s i n t h e mi d dl e a nd he a d mo t or s ， whi c h ma y oc c u r whe n d r i v i ng c on t r ol o f t he i nt e r me d i a t e u nl o a d i ng b e l t c o nv e y or i s c o n t r ol l e d i mpr o pe r l y， t he pa p e r pr o po s e d t o u s e Be l t A n a l y s t s o f t wa r e t o s i m u l a t e t WO k i nd s o f d r i v i ng c o nt r o l s c h e me o f i n t e r me d i a t e un l o a di n g b e l t c o nv e y o r ，a nd t he o pt i mal m u l t i m o t o r c o or d i na t i o n s c he m e wa s o b t a i ne d by c omp a r i s o nt he dr i ve r ne a r t h e ma i n c on t r ol u s e s t o r q ue t r a c ki n g，t he d r i ve r f a r f r o m t h e m a i n c o nt r o l us e s s p e e d t r a c k i ng a nd d e l a y s t a r t ， a n d t he r e a s o n a b l e d e l a y s t a r t c o n d i t i o n i S t h a t t h e mo t o r s t a r t s wh e n 2 9 ／ 6 r a t e d s p e e d i S d e t e c t e d ．I n o r d e r t o r e duc e dy na mi c t e ns i on of t he be l t a nd e l i mi na t e t he v i s c o e l a s t i c v i b r a t i o n o f t h e b e l t ，c o n t r ol c u r v e a nd dy na mi c l o ad o f f ou r ki nd s o f s pe e d c o nt r o l m o de s we r e a na l y z e d a nd c ompa r e d， i n c l u di n g u ni f o r m a c c e l e r a t i on．c o mbi ne d u ni f o r m a c c e l e r a t i o n．c o m bi n e d c yc l oi d a nd c o m b i ne d pa r a b ol a． An d c ha r a c t e r i s t i c s whi c h r e a s on a bl e s t a r t u p c u r ve s h oul d ha v e we r e o bt a i ne ds t a r t ～ up t i m e i s l o ng e no u gh t o e n s u r e t h a t t he s t a r t i n g a c c e l e r a t i on i s l e s s t ha n t he s p e c i f i e d a c c e l e r a t i o n； s t a r t i n g a c c e l e r a t i o n i s s ma l l a n d t he r e i s n o mut a t i o n s i n c e t he ma gn i t ud e of t he dy na m i c t e ns i on d e p e nd s pr i m a r i l y o n t he ma xi m u m a c c e l e r a t i o n． 收稿 日期 2 o 1 6 1 2 2 0 ； 修回 日期 2 0 1 7 - 0 5 0 9 ； 责任编辑 胡娴 。 基金 项 目 国家 自然科 学基金联合基金项 目 u1 5 1 0 l 1 6 ； 教育部蓝火计划项 目 2 0 1 4 一 L HJ H HS Z X 0 1 3 。 作者简 介 黄忠河 1 9 9 l 一 ， 男 ， 福建 闽清人 ， 硕 士研 究生 ， 主要 研究方 向为 带式输送机控 制策略及仿真 分析等 ， E ma i l 9 7 l 0 2 6 9 9 3 q q ． c o rn。 通信作 者 王世博 1 9 7 9 一 ， 男 ， 河 北新 河 人 ， 教 授 ， 博 士 ， 主要 从 事矿 山智 能装 备 等 方 面的 研究 T 作 ， E ma i l w a n g s h b c u n t ． e d u ． c n 。 引用格式 黄忠河 ， 王世博． 中间卸载式长距离带式输送机驱动控制策略[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O l 7 ， 4 3 7 4 8 5 2 ． HUAN G Z h o n g h e ， WANG S h i b o ． D r i v i n g c o n t r o l s t r a t e g y o f i n t e r me d i a t e u n l o a d i n g l o n g d i s t a n c e b e l t c o n v e y o r [ J ] ． I n d u s t r y a n d M i ne Au t o ma t ion． 2 0 l 7， 4 3 7 4 8 5 2 ． 2 0 1 7年 第 7期 黄 忠 河等 中间卸载 式长距 离带式输 送机 驱 动控 制策略 4 9 Ke y wo r ds c o a l m i ne t r a n s p or t a t i o n；be l t c on v e y or ； i nt e r m e di a t e un l oa d i n g； dr i v e c o nt r o l ；m ul t i m o t o r c o nt r o l mo t or c o nt r o1 c ur v e 0 引言 带式 输送 机是 以输 送 带兼作 牵 引机构 和 承载机 构 的一种连续运输机械， 具有运输量大 、 耗电量低 、 运输平稳及 易实现 自动控制等优点 ] 。传统 的带 式 输送 机 采用 机头 位 置 集 中驱 动 ， 阻 力 和 输 送 带 张 力沿着运输路线增加 ， 机头设备承载大 ， 磨损较快 ， 同时单 点 驱 动 不 能 满 足 长 距 离 输 送 机 所 需 的驱 动 力 。因此 ， 大 型带 式输 送 机大 多 采 用 多 滚 筒 的驱 动 方 式来 促进 设 备 的小 型 化Ⅲ 3 ] 。 中间卸载式带式输送机在中部设置卸载滚筒来 分 散功 率 ， 但 卸 载滚 筒 的驱动 在控 制不 当的情况 下 ， 可能出现滚筒打滑 、 跳带 、 输送带松弛 、 物料堆积、 中 部和头部电动机功率负载不平衡等问题l 4 ] 。胶带为 黏弹性体 ， 对长距离带式输送机沿用标准的静态设 计方法已无法满足输送机的使用要求 ] ， 还应该考 虑 整个 输送 机 的动态 特性 ， 特别 是 启动 和停 机过 程 。 使用带式输送机分析软件可提高输送机设计效率 ， 随着带式输送机动态离散模型理论和数组积分算法 的发展[ 6 。 ] ， 离散数值仿真软件成为研究输送机动态 特性 的方 法 之一 。 驱动 1 f 双电动机 5 0 0 k W x 2 在 输 送机 安 装 调试 之 前 ， 制 定 多 电动 机控 制 方 案并 通 过软件 仿 真对 方 案 进 行 评估 ， 可 对 实 际运 行 调试 进行 指导 ， 事 先对 异 常情况 进行 分析 排除 ， 节约 调 试 时 间 和 成 本 。 输 送 机 动 态 分 析 软 件 B e l t An a l y s t 适 用 于 多 点 驱 动 的 情 况 ， 本 文 主 要 利 用 B e l t An a l y s t 软 件对 所制 定 的 中间卸 载 式长 距 离 带 式输送机驱动控制方案进行仿真， 并 分析多 电动机 之间的协调方案和电动机速度控制曲线 。 1启动 时 间设定 在输 送 机 调 试 之前 ， 需 要 初 步制 定 启 动控 制 方 案 ， 以内蒙古某煤矿使用 的中间卸载式带式输送机 为例进行分析 ， 其布置简图如图 1所示 。该带式输 送机水平长度达到 5 0 6 0 m， 提升高度为 4 ． 7 m， 运 量高 达 3 0 0 0 t ／ h ， 带 速 为 4 ． 2 m／ s ， 采 用 带 宽 为 1 ． 4 m的 P VC 2 5 0 0 S型输 送 带 ； 采 用 卸 载 式 滚 筒 中 间驱 动技术 ， 3 0 0 0 k W 输送 功率平 均分 配 在 中部 和 头部驱动 ， 共 6台电动机 ， 每 台功率为 5 0 0 k W ； 驱 动 1 和驱 动 2布置 在输 送路 线 中部 ， 驱 动 3和驱 动 4 布 置在 头部 ， 驱 动部分 采用 永磁 电动 机直 驱系统 。 张紧滚衙 驱 动 4 单 电动机 5 0 0 k W 驱动 3 双 电动机 5 0 0 k W x 2 图 1 中间卸载式带式输送机布置简 图 Fi g．1 Sc he mat i c d i a g r a m o f t he l a y o ut of i nt e r me di a t e un l o a di ng be l t c on ve y o r 首 先确 定启 动 时 间 ， 带 式 输 送 机 的启 动 时 间 可 3 5 8 k g ／ m。 按 T ≥ 6 ～1 0 T 来 考 虑 ] ， T 为 张力 波 在 承 载段 这里 的弹性模 量 实际上 应考 虑输送 带 在托辊 之 和 回程段的传播时间之和， 即 问的下垂及输送机的倾角 ， 即等效弹性模量为 一 1 Cwb Cw 式 中 L 和 L 为分 别 承 载 段 和 回程 段 的输 送 带 长 度 ， L b 一5 9 0 0 m， L 一6 2 0 0 m； c b 和 c 分 别 为 承 载段和 回程段张力波传播速度 。 根 据波 动力 学 ， 张力 波传 播速 度为 2 式 中 E为 弹性 模量 ； B 为 输 送 带 宽 度 ， 1 ． 4 m； 在 回 程段 ， q为输 送带 单位 长 度 的质 量 ， 6 0 k g ／ m， 在 承 载 段 ， q为 物 料 和 输 送 带 单 位 长 度 的 质 量 之 和 ， 霹12, B ’ 式 中 E B为名 义弹性 模量 ， 1 8 0 N／ m； Z 为 托辊 间距 ， 承 载段 和 回程 段 z 分 别为 1 ． 5 m 和 3 m； 为输送 机 倾 角 ， 约为 0 。 ； F为 输 送 带 平 均张 力 ， 承载 段 和 回程 段输送带平均张力分别约为 1 8 5 k N和 9 4 ． 5 k N。 由式 3 计算 出承载段和 回程段的 E值 ， 再代 入 式 2 计 算 出 C b 一7 6 0 m／ s ， 一1 9 6 0 m／ s 。 由 式 1 计算 出 T 约 为 1 1 S ， 若 取 1 0倍 T ， 则 T≥ 1 l O S 。本文设 启 动 时间为 1 8 0 S 。 亘g 5 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 2多 电动机 协 调方 案 使用 B e l t An a l y s t 软 件对 上述 带式 输 送 机进 行 建模 仿 真 。首先 ， 根据 带式 输送 机 图纸 ， 在 软件 中完 成带 式输 送 机 的线路 布置 ， 设置 各 部件参 数 ， 组成 带 式输 送机 的 静态 模 型 。然后 ， 设 置 动 态 特 性 参 数 及 仿 真条件 ， 将静态模型转化为离散动态模型 ， 使用逐 步积 分方 法求 解模 型 的动 态 响 应 ， 将 4个 驱 动 作 为 系统 的输 入 。 不 同 于单 电动机 的带 式 输送 机 ， 该带 式 输 送 机 要实现各电动机功率平衡 ， 保证驱动滚筒不发生打 滑 。针对 这些 问题 ， 将 头部 驱动 和 中部驱 动分 开 ， 组 成 2个 系统 。采 用 双 驱 动 主 从 控 制 ， 实 现 从 动 电 动 机 扭矩 跟踪 主 电动 机 。为 了避 开 电动 机 同时启 动对 电 网的冲击 ， 设 置头 部驱 动先 开启 ， 当速度 波传 递 到 中部 时 ， 卸 载驱 动 再 开 启 。在 控 制 器 中加 入 带速 检 测 ， 当带速 大 于设定 速度 时 卸 载 电动 机启 动 。制 定 2 种 控 制方 案 ， 见表 1 、 表 2 。 表 1 驱动控制方案 1 Ta bl e 1 Dr i v e c o nt r o l p r o gr a m 1 驱动 控制方式 驱 动 1 驱 动 2 驱 动 3 驱动 4 主控 制 扭 矩 跟 随 驱 动 2 速度 控制 ， 检测 到 5 额定 带速 时启 动电动机 扭矩 跟随驱 动 4 速度控 制 表 2 驱 动控 制方案 2 Ta bl e 2 Dr i v e c ont r ol pr og r a m 2 控制对象 控制方式 驱 动 1 驱 动 2 驱动 3 主控制 驱动 4 速度控制 ， 检测到 2 额定带速时启动 电动机 扭 矩 跟 随 驱 动 l 速度控制 扭矩跟随驱动 3 输 入上 述 2种 驱 动 控 制 方 案 ， 使 用 软 件仿 真求 解 出输送 机 的 启 动 过 程 。驱 动输 出 功 率 如 图 2所 示 。可见 ， 方 案 1的 电动 机输 出功 率不 平 均 ， 头 部功 率大， 中部功率小 ； 方案 2的电动机输出功率可以达 到平 衡 。 电动机 输 出扭 矩 如 图 3所示 。方 案 1中 ， 中部 电动机启 动 前 由输 送 带拖 动 ， 出现 负扭 矩 ， 头部 电动 机输 出扭 矩超 过满 载转 矩 l 方 案 2采 用 扭 矩 跟 踪 使 驱 动 1 和 驱动 2 达 到 同步 ， 驱 动 3和 驱 动 4达 到 同 步 ， 解决 了 电动机 之 间的干 涉 问题 。 富 静 昌 邑 ＼ 辑 吕 ● Z 辑 a 方案 1 8 0 0 0 0 5000 0 20 0 00 90 0 00 6 00 0 0 300 00 O b 方案 2 图 2 电动 机 驱 动 输 出功 率 Fi g ．2 Ou t p ut p owe r o f mo t o r 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 时间／ s a 方案 l 一蓊 0 50 1 0 0 1 5 O 2 0 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 时间／ s b 方 案 2 图 3 电动机输 出扭矩 Fi g． 3 Ou t put t o r q ue o f mo t or 将 时域 离散 ， 以 1 s 为 间隔 ， 从 尾 部沿 着 输 送 机 运送 方 向到 驱 动 4共 7 1个 节 点输 送 带 张力 如 图 4 所示 。方 案 1的最 大 张力为 4 9 0 k N， 集 中在 输送 机 头部 。方 案 2的最 大 张力 为 3 2 0 k N， 2个 波 峰分 别 是 中部驱 动 和头部 驱动 所在 位置 。从 标记 的数 字可 以看 出前 8 S的张 力 变 化 ， 头 部 驱 动 启 动 后 ， 经 过 5 S ， 张 力传 递到 中部 。 对 比方案 1 和 方案 2可 知 ， 方 案 2在功 率 、 扭矩 平 衡 方面 较为合 理 ， 同时输送 带张力 小 很多 ， 所 以在 头部 和 中部 2个 驱 动 系 统 中 ， 应 该将 功 率 大 的驱 动 双 电动 机 作 为 主控 制 ， 靠 近主 控 制 的单 电动 机 采 2 0 1 7年第 7期 黄 忠河等 中间卸 载 式长距 离带式输 送机驱 动控 制策略 ．5 】 ． 2 Z 0 ＼ 5 0 ．5 ．0 ．5 0 南 a 方案 1 b方 菜 2 图 4各节点输送带张力 Fi g．4 Co nv e yo r h e l t t e ns i o n o f e a c h n od e 用扭 矩跟 踪 ， 同 时距 离 主控 制较 远 的 中部 驱 动 延迟 启 动 ， 延迟 条件 设置 为检 测 到 2 额定带 速 。 3 电动机 启 动控 制 曲线选 择 得 到驱 动 协 调方 案 后 ， 要 确 定该 输 送 机 的 主控 制 驱动 3 的速度控制曲线 。长距离带式输送机启 动过 程会 出现 很大 的动 载 荷 ， 这 主 要 是 由较 大 的加 速 度值 和加 速度 突变 所 导致 的 ， 因此 ， 需要 重点研 究 合理 的速度 控 制 曲线 _ q ] 。为更 好地 减小 输送 带 的动 张 力 和消除 输送 带 的 黏 弹性 振 动 ， 对 以下 4种 速 度 控 制方 式进 行 分析 比较 。 1 匀加速 整个启动过程加速度保持不变 ， 速 度 与 时 间 t关 系 为 a t ， a 为 常 数 ， 速 度 线 性 增 加 。 2 组 合 匀加速 在 输送 机 启 动之 前 ， 输送 带 处 于松 弛状 态 ， 为避 免对 输 送 带 的冲 击 ， 消 除 松 弛 ， 在 匀 加速 启 动过程 中加 入一 段爬 行段 来拉 紧输 送带 。 3 组 合摆 线 即 Ha r r i s o n A 提 出的 摆线 速 度 曲线 ， 其 加 速 度 最 大值 n 一 7 ／ 2 v ／ T 1 ． 5 7 v ／ 丁， 丁为整 个 启 动 过 程 的 时 间。 在其 曲 线 中再 加 一 个爬 行段 来 消除 松弛 ， 如式 4 ， 该 函数 为 段 函数 ， 相 比前 2种 ， 速 度变化 和加 速度 变 化更 加平稳 。 u t 一 2 1 一 c 。 s 0 ≤ r ≤ 1 ￡ 1 4 一 c 一 c 。 s t -- t 2 t 2≤ t ≤ T 式 中 t 。 为到达 爬 行端 的时 间 ， f 。 一 T ／ I O ； t 。为爬 行 段结 束 时间 ， t 。 一3 丁 ／ 1 0 ； 为延 迟 段 带 速 ； 为额 定带 速 ， 。 一 ／ 1 0 。 4 组 合 抛物 线 即 No r d e l l L K推 荐的 对称抛 物线 ， 加速 度最 大 值 ‰ 一2 ／ 丁， 加入 爬 行 段 后其 速 度 公式 为 ， t 一 f 0 ≤f t l ／ 22 I ／ 1 ． ‘ ＼ I ， 一 2 鲁 一 1 “ 2 ≤ l V l t t ≤ t r 1 1 c ⋯ 一≤ 半 I c 一 c 一 一 。 l 三 ≤ ≤ 丁 启 动速度 与 额定带 速 的 比值 随时 间 的变化 曲线 如图 5所示 。选择方案 2 ， 仿真对 比 4种不同速度 控制 方式 下输 送机 的动 载荷 ， 结果 见表 3 。 比较 启动 时 间为 9 0 S与 1 8 0 S的情 况 可 知 ， 延 长启 动 时间可 以使 输 送 机 最 大 张力 减 小 ， 输 送 机 动 载荷 下 降 ， 所 以启 动 时 间 不 宜设 置 过 短 。启 动 时 问 为 9 0 S时 ， 匀 加 速 启 动 的输 送 带 张 力最 小 ， 组 合抛 物线 方式 的张 力最 大 ， 说 明 当启 动 时间较 短 时 ， 启动 过程 中 的加速 度最 大值 起到 主要作 用 。组 合抛 物线 方式 的加 速度 最大 ， 所 以 ， 输送 带 张力最 大 。启动 时 间为 1 8 0 S 时的仿真结果和 9 0 S 略有差别， 组合摆 线启 动 方 式 的输 送 带 张力 最小 。启 动 时 间较 长 时 ， 加速 度 最 大 值影 响 变 小 ， 加 速 度 突变 也 影 响仿 真 结 果 ， 组合摆线 加速 度 突 变最 小 。输 送带 具 有 弹性 ， 当 启 动时间 足够长时 ， 加速度 变化率 的增 大对 动载荷 的 影 响不大 ， 所 以 ， 几种启动方式 的输送带 张力接近 。 4 结 语 针对 中部 卸载式 长 距离带 式输送 机制 定 了 2 种 驱 动 控 制 方 案 ， 利 用 B e l t An a l y s t 软 件 对 其进 行 仿 真 ， 制 定多 电动 机协 调控 制策 略 与 主控制 靠 近的驱 动采 用扭矩 跟踪 ， 距 离较 远 的驱 动延 迟启 动 ， 延 迟启 动条 件设 为检测 到 2 ％带速 较 合 理 。 比较 不 同的启 动时 间和 不同 的速度 控制 曲线后 发 现 了合 理 的启动 曲线 应具 有的 特征 启动 的时 间足够 长 ． 以保证 启动 加 速度 小 于规定 的 加 速度 ； 启 动加 速 度 较 小 且 没有 突变 ， 因 为动张 力 的大小 主要取 决 于加速 度最 大值 。 5 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 图 5 Fi g ．5 j型 丑 j 翌 丑 时间／ s a 匀加速 时间／ s b 组 合 匀 加 速 时间／ s c 组合摆线 时间／ s d 组合抛 物线 启动 速度 与额定带速 的比值 随时间变化曲线 Cu r v e o f t h e r a t i o o f s t a r t i ng s pe e d t o r a t e d b el t s pe e d v ar i e s wi t h t i m e 表 3 不同速度控制方式下输送 机的动载荷 Ta b l e 3 Dy na mi c l o a d o 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