（电气工程专业论文）长距离胶带输送机智能化控制系统优化设计.pdf

论文摘要 ( 物料的连续输送系统在工业现场获得了广泛应用，胶带输送机正向长距离、大运量、 高速度的方向发展，并采用动态设计理论来提升机电系统性能。高性能驱动及控制系统 、 有着很大的市场需求。广一( t 本文在工程项目设计开发和现场应用的基础上，对输送机驱动及控制技术方案进行 研究分析，经过对起制动速度、加速度及张力的模型建立和研究，提出适应长距离胶带 输送机动态优化设计要求的智能化控制系统技术方案：设计了满足工程应用的电气控制 系统，并对该系统内的p l c 集中控制、智能化软起动、张力变频控制等主要部分进行 了研究开发，包括硬件电路设计和软件流程开发；对主要调速驱动系统进行了计算机仿 真研究；对主要的智能软起动系统进行了性能试验，并总结工业现场运行情况，得出优 化的系统设计；最后对实际工程问题进行分析和探讨，提出该课题的后续研究方向。 关键词： 长距离胶带输送机，动态优化设讥智能化软起动，厶曲线 张力变频控制、计算机仿真 a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u st r a n s p o r ta n dh a n d l i n gs y s t e m o fm a t e r i a l sh a sb e e n a c t i n g a b o a r dav i t a ir o l ei nm o d e r ni n d u s t r ys i t e s w h i l et h eb e l tc o n v e y o ma r e d e v e l o p p e dt o w a r d sl o n gd i s t a n c e ，l a r g eq u a n t i t ya n dh i g hv e l o c i t y , d y n a m i c d e s i g nt h e o wi sp u tf o r w a r dt h a tw o u l di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n e - e l e c t r i cs y s t e m t h e r ei sag o o dd e m a n do ft h ed r i v ea n dc o n t r o ie q u i p m e n t so f h i g hc a p a b i l i t y t h i sd i s c o u r s ej sb a s e do ne n g i n e e r i n gi t e r n sa n da p p l i c a t i o n sj ns i t e s i n v e s t i g a t e s a r et a k e no nt h ed r i v es c h e m eo fi o n gb e l t c o n v e y o r , w i t ht h e m o d e l su p b u i l d i n ga n ds t u d yo fv e l o c i t y ，a c c e i e r a t j o na n dt e n s i o n ，t r y i n gt o a p p r o a c ht h eo p t i m u mo fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m t h ee l e c t r i cc o n t r o js y s t e m i s d e s i g n e dt om e e tt h ep r o j e c ti t e m s ，i n c i u d i n g ：c e n t e rc o n t r o ls y s t e mw i t h p l c ，i n t e l l i g e n ts o f t s t a r t sa n dt e n s i o nc o n t r o ls u b s y s t e mw i t hc o n v e r t e ra l s o i n c l u d i n g s o m e d e s i g n f o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e nw ec o m et oa c o n c l u s i o no fo p t i m a l d e s i g n f r o me x p e r i m e n t a t i o na n dr u n n i n gs t a t u si n s i t e s ；i na d d i t i o nw e d i s c a s s d es e v e r a ip r a c t i c a le n g i n e e r i n gi s s u e sa n d g i v ea n i n d e p t hr e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s l o n g d i s t a n c eb e l tc o n v e y o r d y n a m i co p t i m a ld e s i g n i n t e l l i g e n ts o f t s t a r t “s ”c u r v et e n s i o nc o n v e r tc o n t r o s i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e r 2 0 0 0i * 文 长m 离& 带- 避机智能化控制采抗优化设计 第l 章概述 胶带输送机以其安全高效的连续输送优势在国内外工业现场获得了广泛的应用，正不断向着长 距离、大运量、高速度、大倾角和新技术的方向发展，同时提出了动态优化设计的技术要求，以及 降低设备造价及运行成本的经济指标，并追求高性能、高寿命、环保节能的目标。国外已投入运行 的输送线中，最长为1 9 7 2 年建于西撒哈拉的磷灰石输送线，总长达l o o k m ，运输量为2 0 0 0 t h ，带 速为4 5 m s ，单机长度为1 1 8 l ( m ：日本叶山的石灰石输送线为目前世界上单机最长的输送机，单机 长度达1 4 l 【，运输量为1 0 0 0 t h ，带速为2 5 s ；而澳大利亚c h a n n e r 铁矿的l o 3 k m 弧型输送机 则代表了现代输送机新技术，该机采用了先进的水平转弯技术和动态设计技术，而我国南京某水泥 厂新近投产的石灰石输送机，长度超过l o i m ，也采用了类似技术，不过该机全套从加拿大进口；在 运输量方面，加拿大的砂石运输机运量达到11 0 0 0 t h ，在速度方面，国内外均有带速达5 8 m s 的现 场应用。我国自行设计制造的输送线长度日前仅在l o k m 左右，最大单机长度约5 k m ，运输能力最大 7 8 0 0 t 1 l ，带速最高5 8 m s ，运行记录和技术水平与国外尚有较大差距。 传统的静态设计方法和普通的驱动和控制系统已不能满足现代工业对大型输送机提出的技术经 济性能要求，限制了我国在该工程技术领域的长足发展。近年来，国内经过跟踪研究及引进消化国 外先进技术和设备，尤其是动态分析方法和设计理论，使国产输送机技术和性能达到了一个新的水 平。 动态分析方法和系统优化设计具有以下优点： 1 )提高带式输送机整体技术水平：提升输送距离、运输量、带速等指标，大大提高生产效率， 满足工业现场需要： 2 )降低工程投资：通过降低胶带和机械强度等级，减少设备投资： 3 )安全运行和高效管理：通过控制系统冲击和振荡，提高稳定性，延长设备使用寿命，并通 过智能系统实现高效控制和管理。 大型输送机系统的勘探设计、基础建设、机电设备及运行管理均需要巨大投资，据统计，我国 的带式输送机投资约每千米5 0 0 万元r m b ，国外为每千米1 0 0 3 0 0 万u s d ，而设备投资中主要为 胶带、驱动设备及托辊的成本。在力学上，胶带输送机为柔粘性系统，具有明显的运动学特征，长 胶带机要求较高的动态驱动性能，因此驱动设备直接影响到输送机的整机性能，属于胶带输送机的 关键设备。此前在带式输送机工程设计中，一般均使用交流感应电动机，而驱动器大多选用调速型 液力偶合器( 鼠笼机) 、金属或液体变阻器( 绕线机) ，难以适应长距离输送机动态性能要求。而s c r 软起动、晶闸管串调、变频器及进口c s t 等高性能驱动设备，必将成为长距离胶带输送机优化工程 设计的优选驱动器。它们的综合性能比较可见表i - i 。 调速型液力偶合器在早期的输送机设计中尤其在煤矿井下工况曾大量采用，。电动机可以空载起 动，对电网冲击小，并具有定的软起动作用。主要由箱体、旋转组件、供排油系统、电动操作结 构、冷却器、测速装置等组成，工作腔内充入工作液( 透平油或乳化液) ，工作轮将电动机机械能转 化为液体能，进而推动涡轮旋转，涡轮将液体能再转化为机械能从输出轴输出，驱动减速机与传动 滚筒，带动输送机起动与运行；电动操作结构调节勺杼行程，可以改变工作腔内液体的充满度，在 电动机转速不变的情况下实现对胶带输送机的调速。由于液力偶合器传递的转距与转速的平方成正 比，因此低速转距小，起动性能较差，瞬时加速度值往往超过o 1 0 3m s 2 的设计规范，调速性能表 现出液力传动系统典型的非线性特征，其典型起动速度曲线见图l - i 。运行时存在约3 的滑差损耗， 发热量大。而且存在不同程度的液体泄露问题。另外这种驱动器传动效率低，维护困难油介质具 有安全隐患，在爆炸性环境中已被安全规程限制使用。 绕线电动机机转子串入液体变阻器可以实现一定范围的无级调速，起动转距大，起动电流小， 在地面现场有部分应用。液体变阻器主要由箱体、电极系统、电极驱动及控制系统组成、下箱体中 注入一定浓度的n a 2 c 0 ，溶液，通过调节电极问的相对位置，可连续改变液体电阻值，从而实现起动 与调速运行。使用普通的电极驱动系统时起动时间小于3 0 秒，加速度较大，如果采用变频调速 电极驱动系统，可以将起动时间延长到1 0 0 秒以上。但由于存在调节死区，低速段和高速段性能较 差，溶液的浓度变化、发热甚至沸腾将直接影响调速性能。起动性能曲线见图1 - 2 ，为采用了变频调 2 )张力控制：张紧力优化控制及动态张力的抑制： 3 ) 智能化安全保护。 n m 一一、。1 一 第1 章概述 速电极驱动系统的起动曲线，该性能难以满足“s ”曲线跟随性能及优化驱动设计要求。另外该驱动 器不利于环保，发达国家基本上己不再使用。 表1 - 1驱动装置性能比较表 汴 s c r 软变频器c s t 驱调速型液转子逆液体 起动装置装置动系统力偶合器变器( 串变阻器 调) 电动机鼠笼机鼠笼机鼠笼机鼠笼机绕线机绕线机 电压等级 3 8 0 6 6 03 8 0 v3 8 1 l 6 6 0 3 8 0 1 6 6 0 3 8 0 6 0 0 0 v3 8 0 1 1 4 0 v1 1 4 0 6 0 0 0 v1 1 4 0 6 0 0 0 v6 0 0 0 v 驱动功率中小中小中大中大中大中大 使用环境地面及矿井地面地面及矿井地面及矿井地面地面 速度曲线s 模型s 模型“s ”模型 s 模型 加减速度 0 0 5 m s 2 0 0 5n t i s 2 o 时，d n d t 0 ，电动机加速，反之减速，对于胶带输 送机负载，初始起动条件为：at = t d t 。 0 ，即需要各种驱动系统输出的起动力矩大于t l 。 22 2 软起动原理与机械特性 ( 1 ) 可控起动传输系统c s t c s t 主要由二级或三级齿轮减速机、湿式线性离合器、液压控制器及冷却系统组成，原理框图 见图2 5 。主电动机可空载起动到全速，速度负反馈伺服控制系统驱动液压控制器调节离合器的液体 压力，通过油膜剪切力驱动负载，输出力矩与液体压力成正比，从而按设定的速度曲线驱动胶带输 送机。该驱动系统具有较好的线性度，因此输出速度及加速度基本不受负载波动的影响。具体技术 参数及应用设计见相关参考文献【1 】蠲泓】。 图2 - 5c s t 原理框图 r 醇- 5 s c h e m a t i cd i r g r a mo fc s t ( 2 j 速度闭环s c r 调压软起动 从电机学及电动机简化等效电路可得开环调压调速机械特性如下 l = 3 p u2 上 而翮 其中。- - 2 ，为定子电压频率：u 1 为定子相电压； p 为电动机极对数：r 。为定子电阻；r ：为折算到定子侧 的转子电阻；s 为转差率：x 。为定子漏抗；x ：为折算到定子 侧的转子漏抗。而电机转速为n = n 。( 1 s ) ，n 。为同步转速。 可得机械特性t - n 曲线如图2 - 6 ，为一组调压曲线，改 变电动机端电压，即可调节屯动机输出转矩及转速。而为 输送机恒力矩负载曲线，为风机水泵负载曲线，可见开环 软起动一般适用于风机水泵类负载，不适合输送机恒力矩重 负载工况。 lu 、号 l比 o t 。 t 图2 - 6 速度开环调压软起动机械特性曲线 f j i ；2 6 m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f v a r i a b l e v o l t a g e $ o f t s t a r ti no p e n - l o o p 8 ：竺! 三兰竺三兰= = 竺：竺兰：竺兰竺竺兰= = 兰一 为达到胶带输送机高性能软起动要求，必须组成速度闭环调压调速系统，下面阐述该速度闭环 系统的原理与机械特性。图2 7 为系统静态结构图，其中： k 。速度调节器静态放大系数； k 移相触发s c r 调压放大系数： k 。电动机比例系数； k 。速度反馈系数； 则转速篙丢k 啦ql + 芷，k 。， 1 定子电压：u 1 = 足p k ，妙g 。一n k ，j ，将n = n 。( 1 s ) 图2 - 7 速度闭环调压调速系统静态结构图 f i 9 2 7 s t a t es t r c t u r eo f t h ev a r i a b l ev o l t a g es y s t e mi nc l o s e - l o o p 代入得：u 1 = 足，k 。i y 。一k ，( 1 一s ) j ( 2 - 7 ) 在( 2 s ) 式中，对s 求导，并令d t d d s = 0 ，可得最大转距t 。及转差率s 。： 小雨寺可陋8 。可翻2 等等耕任 代入机械特性工黻达式：r = 而兰专丙棚慨械特性为 t = 恒频调压时电动机定子电阻r l 可忽略，并令k f 3 p k ，l ( 1 2 ，ul ，g = ( n o - n ) n o ，则上式可写为 机械特性t - n 曲线见图2 - 8 。可见该特性曲线比开环特性硬，适宜于胶带输送机恒力矩重负载的 软起动，基本原理为：根据输送机给定“s ”型曲线及速度反馈，调节移相角及s c r 导通角的大小， 产生移相触发脉冲控制s c r 装置的输出电压，从而达到控制电动机电磁转距及转速的目的，使电动 机转速跟随给定的驱动曲线。该系统原理框图见图2 - 9 。 图2 - 8 速度闭环调压调速系统机械特性曲线 f i z z - 8m e c h a t t i c a c h a r a c t e r i s t i cc u r v e o f t h e v a r i a b l ev o l t a g es o f t s t a r ti nc l o s e - l o o p 9 图2 - 9 速度闭环调压调速系统原理框图 f 自9 2 9 s c h e m a t i cd i r g r a mo f t h ev a r i a b l e v o l t a g es o f t s t a r t i nc l o s e - l o o p 一 箫 氧 j 2 章* 设计方塞a 仿，0 日究 ( 3 ) w v f 变频调速软起动 以上讨论的速度闭环s c r 调压软起动具有很好的“s ”曲线 跟随性能。但在重负载工况时起动电流较大，对电网仍有较大的 冲击，软起动，软停车时间受到一定程度的限制，对电动机绝缘要 求较高。 我们认为，采用速度开环或闭环的v v v f 变频装置可以实现 恒力矩重载驱动及“s ”速度曲线跟随性能。采用变频软起动的 机械特性曲线见图2 1 0 ，其特性较硬，具有良好的调速性能。但 变频软起动使用于长距离胶带输送机需要进一步研究其重载起 图2 - 1 0v 、唧变频调速系统机械特性曲线 f i 9 2 1 0m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc h i v e o f t h ev w fc o n v e r t 动、低速性能、与工频电网的切换以及多机驱动同步等问题。 由于长距离胶带输送机装机功率较大，一般在1 0 0 k w 以上，作为软起动设备的价格问题仍是用 户关心的主要问题，如何提高变频方式软起动的性能价格比，开发适合国内用户尤其是煤矿现场的 6 6 0 v ，1 1 4 0 v 电压等级的变频软起动设备，是我们一直关注的问题，本文将进行初步探讨，展开仿真 研究并进行部分性能试验。我们采用的控制策略为s p w m 控制，速度开环恒压频比即v f = c ，低速 段进行电压补偿。主电路为交一直一交电压源逆变器，功率器件宜选用大功率晶体管( g t r ) 。应用系统 的原理框图见下图2 1 1 ，控制器为采用8 7 c 1 9 6 m c 的智能控制器。该系统可以得到比s c r 调压软 起动更长的优化驱动曲线，起动电流可以大大降低。 在部分要求高的工程应用中，可以考虑采用矢量变换控制或磁链跟踪控制即所谓的直接转距控 制( d t c ) 方式，并尽量避免使用外部速度传感器。下运负力矩工况时可采用电流源型逆变器。 r s t 整滴看 逆变看 、遥；：固：c 奄： c i l ；l e 口 簇麓一张机 = 毗 n，固二：心：z 爝： 图2 - 1 1v 、m 变频软起动系统原理框图 f i 9 2 - 1 1 s c h e m a t i cd i r g r a mo f t h ev w fc o n y - e r rs o r s t a r t ( 4 ) s c r 串级调速软起动 由于胶带输送机起动需要较大的起动转矩，不少设计采用 了绕线电动机转子串金属电阻器或液体电阻器，但无法实现“s ” 速度曲线和有效控制起制动加速度，难以实现长距离输送机动 态优化设计的要求。我们使用串级调速原理，采用转子s c r 逆 变器来实现胶带输送机高性能的软起动控制，机械特性曲线见 图2 i 2 。串级调速系统的明显优点是可以应用于高压电动机 ( 6 k v 1 0 k v ) 的驱动，起动电流小，设定起动时间长。 i ? i 二二 _ 。一。_ 、 、弋、 、 、 图2 一1 2 串级调速机械特性曲线 n 醇1 2 m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t h ev 、，、，fc o n v e r t l0 翰 2 0 0 0 工程司卜融文长矗臼r 腔带鞠避机智麓驰舞0 制j 巴1 乇化设计 使用速度负反馈的串调软起动系统原理框图见图2 1 3 。主回路为三相整流桥和6 脉波逆变桥， 采用速度、电流双闭环调节系统及智能控制器，触发器采用f c o g 6 1 0 0 6 3 0 d 6 1 h v 通用触发板。 论文将对该串调软起动装置在长距离胶带输送机上的应用进行实验研究，得出优化的“s ”型速 度性能曲线。 图2 一1 3 串级调速软起动系统原理框图 f i 9 2 - 1 3 s c h e m a t i cd i r g r a mo f t h e 2 2 3张紧装置机械特性 张紧电动机正转时工作在第一象限、反转时工作在第三象限、超速时将进入第四象限，自然机 械特性曲线见图2 - 1 4 ( a ) 。本文拟采用变频器对张紧电动机进行控制，期望得到与胶带动态张力相匹 配的响应过程及合理的工作值，以实现张力优化控制，同时可实现张紧装置的起动与制动控制，避 免直接起动和突然抱闸造成张力突变及机械闸损坏。控制系统原理图见附录d 。 本文采用a b bd c s 6 0 0 变频器进行工程设计，并采用电压空间矢量控制方式的变频试验装置进 行一般性能研究。变频调速的机械特性曲线图2 - i il n i i n 0 i 、 、 t 。 r t t z l i i 、 一n o i v 隆 l 广、_ k 翥 i 、 陵 。 、 tl 签 0 i z r i v - 、 、 、 i i i 、 、 、 - n o ( a ) 自然特性曲线嘞变频调速机械特性曲线 ( a ) n a t u r a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v e( b ) m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f c o n v e r t 图2 一1 4 张紧电动机机械特性曲线 f j 9 2 - 1 4 m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t h et e n s i o nm o t o r l l 第2j t 俄 匕设计方案a 仿真研究 2 3 速度及张力优化模型 2 3 1 速度及加速度模型 忽略胶带在滚筒上的打滑、胶带弹性变形及振荡因素，可以认为胶带线速度v 和主电动机转速n 存在固定的比例关系：门= k v ，因此下面的模型中仅以胶带线速度v 为代表。下面各式中，v m ( m s ) 为额定带速，t ( s ) 为起动周期，a ( m s 2 ) 为加速度。 ( 1 ) 直线速度模型 v ( t ) = a t 显然加速度a 为恒定值，取a = o 0 5m s 2 ，则起动周期t = 5 0 s ，见图1 1 5 中的曲线。该模型适用 于一般长度为2 k m 以下的胶带输送机驱动。 ( 2 ) “s ”型曲线模型 呻，= 等( h 。s 争r 。一( 2 - 1 3 ) 则a = 咖出= 堡! s m 争f ，显然d 。= 簪并发生在卢t 2 时刻，令a m _ o 0 5 m s z ，v m = 2 5 m s ，则t = 7 8 5 s ，见图1 - 2 中曲线，该模型可适用于2 k m - 5 k m 的胶带输送机驱动。 v ( m s ) a ( m s 2 l 2 5 0 0 5 一线性起动速度曲线 磁性起动加速度曲线 一“s ”起动速度曲线程动加速度曲线 一“s ”停车速度曲线 一停车减速度曲线 一线性停车曲线一线性停车减速度曲线 圈2 - 1 5 直线及。s ”型曲线的速度、加速度模型 f i 9 2 - 1 5t h ef i n ea n d s c u r l em o d u l e so f s p e e d & a c c e l e r a t i o n ( 3 ) 优化“s ”型曲线模型 根据张力波的产生和传播机理，起动时动张力在胶带中的分布并不均匀，张力波的传播和叠加 将引起长距离输送机的剧烈振荡，因此有关专家提出在起动前设置一个低速预张紧过程，使长胶带 内部的张力分布基本均匀后再按“s ”曲线加速起动，该过程时间持续2 0 s 左右( 可调) ，但要求驱动 器具有很高的低速性能。该优化“s ”曲线模型如下： 12 v 。l t 。 vo v 。+ 半d c o s ( f f - ) i t v “ 该分段函数一次微分d v d t 为加速度曲线模型： v 。，t o vo 、石 27 _ s i nf ( f f ) t ( o r f