（机械电子工程专业论文）带式输送机集中监控系统及驱动控制系统的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho nc e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m a n dc o n t r o l l a b l es t a r ts y s t e mf o rab e l t c o n v e y o r - b yz h e n gh u i - j u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gw e i g a n g n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 。 学位敝作者签名：钎考，覆 日 期： 7 砌浒l 茂，弋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i ij1 东北大学硕士学位论文摘要 带式输送机集中监控系统及驱动控制系统的研究 摘要 带式输送机作为输送散料的最可靠、经济的设备，已成为我国煤炭、冶金、 电力、建材、石油、化工等许多行业主要运输设备之一。随着生产能力的不断提 高，带式输送机朝着大功率、长距离、大运量、高速度方向发展，因此带式输送 机的可控起动、电动机的功率平衡和集中监控的研究更加重要。因此本文对带式 输送机智能控制的这些问题进行研究。 根据大功率长距离输送机的运行需要，分析带式输送机液粘调速自动控制系 统组成，包括上位监控、p l c 控制器、现场设备和各种保护传感器。研究控制内 容和p l c 控制过程，详细绘制了p l c 对带式输送机软起动，多电动机功率平衡 的程序流程。 对比现有的输送机控制驱动方式的优缺点，研究液体粘性离合器+ 电动机+ 减 速器的驱动方式。对液体粘性离合器工作原理和p i d 控制模式进行了分析，包括 系统控制方式、控制特点以及数学模型等。在二阶系统模型的基础上，针对其动 态响应情况，分析了响应各阶段p i d 参数对系统性能的影响，进而提出p i d 参数 的整定原则。通过分析目前各参数整定方法存在的问题，提出液体粘性离合器基 于模糊控制技术的p i d 参数自整定的方法。 分析模糊控制系统控制结构和控制原理，包括模糊化接口、综合数据库、模 糊推理技术、解模糊技术等，在此基础上根据液粘调速系统的需要，建立参数自 整定模糊控制器的系统结构，并对模糊自整定系统的输入输出变量进行选取与量 化；结合专家经验建立了模糊控制规则，完成控制系统规则库的设计，并采用最 小最大- 力权平均进行模糊推理与解模糊。采用m a t l a b 软件对所建立的基于模糊 p i d 参数自整定系统进行仿真和性能研究，并分析仿真结果。 根据带式输送机控制系统上位监控的需要，编制了监控软件，实现l a b v i e w 与a b p l c 的数据通信、数据采集、操作显示、报警、报表等功能。 关键字：带式输送机、控制系统、模糊控制、上位监控 i i j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nc e n t e rc o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o l b l es t a r t s y s t e mf o rab e l tc o n v e y o r a bs t r a c t a st h eb e l tc o n v e y o ri st h em o s tr e l i a b l ea n de c o n o m i c a l e q u i p m e n t ，i th a s b e c o m eo n eo fm a i nc o n v e y i n ga p p l i a n c ei nc o a l - m i n i n g ，m e t a l l u r g y ，e l e c t r i cp o w e r ， a r c h i t e c t u r a l ，p e t r o l e u m ，c h e m i s t r yi n d u s t r ye c ti no u rc o u n t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fp r o d u c t i v i t y ，t h eb e l tc o n v e y o rd e v e l o p st o w a r dt ol a r g ep o w e r ，l o n gd i s t a n c e ，l a r g e l o a da n dh i g hv e l o c i t y s ot h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o l l a b l es t a r t ，b a l a n c e a b l ep o w e ro f e l e c t r o m o t o r ，s u p e r v i s ea n dc o n t r o lh a v eb e c a m ev e r yi m p o r t a n t 。t h e s eq u e s t i o n so n i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rab e l tc o n v e y o ri sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er u n n i n gr e q u i r e m e n to fl a r g ep o w e ra n dl o n gd i s t a n c ec o n v e y o r ， t h eh y d r o v i s c o u sd r i v ea u t oc o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e d ，m a i n l yi n c l u d i n gs u p e r v i s ea n d c o n t r o l ，p r o g r a m m b l el o g i cc o n t r o l o r , l o c a le q u i p m e n ta n dk i n d so fp r o t e c t i o ns e n s o r t h ec o n t r o lc o n t e n ta n dc o n t r o l p r o c e s so fp r o g r a m m b l el o g i c c o n t r o l o ra r e r e s e a r c h e d t h ef l o wc h a r to fc o n t r o l b l es t a r to nb e l tc o n v e y o rw i t hp r o g r a m m b l e l o g i cc o n t r o l o ra n db a l a n c e a b l ep o w e ro fe l e c t r o m o t o ra r ed r a w e d a f t e rc o m p a r e ds o m ew a y so fc o n t r o b l es t a r to nb e l tc o n v e y o r , t h ew a yo f c o n t r o b l es t a r tw i t hh y d r o v i s c o u sd r i v e ，e l e c t r o m o t o ra n dr e d u c e ri sr e s e r c h e d t h e p r i n c i p l ea n dp i dc o n t r o lp a t t e r no fh y d r o v i s c o u sd r i v ea r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h e c o n t r o lm o d eo fs y s t e r m ，c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ca n dm a t h m a t i c a lm o d e la n ds oo n e s p e c i a l l y ，t h ei n f l u e n c et ot h es y s t e mo ft h ep a r a m e t e r so fp i d i sa n a l y z e d ，a n dt h e n 。the r u l eo ft h ep a r a m e t e ra u t o t u r n i n gi sp r o p o s e di np a p e rb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ed y n a m i cr e p o n s eo ft h es e c o n df u n c t i o nm o d e l a f t e ra n a l y s e dt h es o m ew a y so f p a r a m e t e rt u r n i n g ，aw a yo ft h ep i dp a r a m e t e ra u t o - t u r n i n gb a s e do nf u z z yc o n t r o li n h y d r o v i s c o u sd r i v ei sp u tf o r w a r d t h es t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d ， i n c l u d i n gf u z z yi n t e r f a c e ，i n t e g r a t e dd a t ab a s e ，f u z z yr e a s o n i n gt e c h n i q u e ，d e - f u z z y t e c h n i q u ea n ds oo n b a s e do n t h i sa n dt h ec a s eo ft h ep r o je c t ，t h es y s t e ms t r u c t u r eo f t h ep a r a m e t e ra u t o t u n i n gf u z z yc o n t r o l l e ri sb u i l tu p t h es e l e c t i o na n dq u a n t i z a t i o n o ft h ev a l u eo fi n p u ta n do u t p u ta r ea l s of i n i s h e d t h er u l eb a s eo ff u z z yc o n t r o l s y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do ne x p e r t i s e t h es i m u l a t i o no ft h ef u z z y p i dc o n t r o l s y s t e mb ym a t l a bi sg i v e ni nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h er u l ep i d i i i a n dt h ef u z z y - p i di sg i v e nt od e m o n s t r a t et h er e a s o n a b l e n e s so ft h ef u z z y 。p i d s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc e n t r a l i z e dc o n t r o lo ft h ec o n t r o ls y s t e mo nb e l t c o n v e y o r ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n so fl a b v i e w a n da b - p l ca r ea c h i e v e d ，a n dt h e f u n c t i o no ft h ed a t ac o l l e c t i o n ，o p e r a t i o nd i s p l a y ，a l e r t ，r e p o r tf o r m si sa l s o a c c o m p l i s h e d k e yw o r d ：b e l tc o n v e y o r ，c o n t r o ls y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l j 东北大学硕士学位论文目录 口罩 日豕 独创性声明i 捅要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 带式输送机自动控制的意义l 1 2 带式输送机智能控制的国内外应用现状及发展趋势2 1 2 1 带式输送机监控技术发展趋势2 1 2 2 带式输送机的起动过程控制技术研究现状3 1 3 论文研究的内容和方法3 第2 章带式输送机控制系统分析与总体方案_ 5 2 1 带式输送机控制系统分析5 2 1 1 软起动控制系统5 2 1 2 带式输送机的机电保护装置8 2 2 带式输送机控制系统总体方案9 2 3 带式输送机控制系统硬件1 1 2 3 1 上位机部分1 1 2 3 2p l c 可编程序控制器部分1 1 2 3 3 控制系统部分元器件的选型和接线l l 2 4 输送机起动和电动机功率平衡控制过程1 3 2 4 1 输送机起动过程分析1 3 2 4 2 电动机功率平衡控制一1 4 2 5 输送机控制程序设计1 6 2 5 1p l c 的i 0 地址分配17 2 5 2r s l o g i x5 0 0 梯形图程序编辑和下载1 8 第3 章液体粘性调速离合器控制特性的研究2 1 3 1 液体粘性传动及液粘调速离合器的工作原理2 1 3 1 1 牛顿内摩擦定律2 1 3 1 2 液粘调速离合器的工作原理2 2 3 2 液粘调速系统的控制模式2 3 3 3 液粘调速系统的数学模型2 4 3 3 1 液粘调速系统模型提炼2 4 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 2 液粘调速离合器控制系统数学模型2 5 3 4p i d 各参数对液粘离合器调速系统控制特性的影响2 8 3 4 1 液粘调速系统控制特性指标2 8 3 4 2p i d 各参数对系统控制特性的影响2 9 3 5 液体粘性离合器p i d 控制系统参数整定存在问题分析3 1 第4 章参数自整定模糊p i d 在液粘调速系统中的应用研究3 2 4 1 模糊控制系统的基本结构与原理3 2 4 2 参数自整定模糊p i d 设计3 6 4 2 1 模糊控制系统总体结构设计3 6 4 2 2 输入输出变量的选取与量化3 8 4 2 3 液体粘性离合器调速系统p i d 参数整定的原则3 9 4 2 4 模糊控制规则库的设计4 1 4 2 5 模糊推理与解模糊一4 3 4 2 6 系统控制算法实现4 3 4 3 模糊p i d 系统仿真4 4 4 - 3 1 仿真软件简介4 4 4 3 2 模糊p i d 系统仿真4 4 第5 章上位监控软件开发4 8 5 1 概j 苤4 8 5 2l a b v i e w 简介4 9 5 3 建立l a b v i e w 与a b p l c 的通信5 0 5 3 1l a b v i e w 基于d a t a s o c k e t 的o p c 技术5 0 5 3 2l a b v i e w 与a b p l c 的数据通信5 1 5 4l a b v i e w 在带式输送机监控系统中的应用5 3 5 4 1 设置用户权限5 3 5 4 2 操作显示5 4 5 4 3 报警显示5 6 5 4 4 数据采集5 6 5 4 5 报表5 6 第6 章结论5 9 参考文献6 0 致谢6 3 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 带式输送机自动控制的意义 带式输送机作为输送散料的最可靠、经济的设备，已成为我国煤炭、冶金、 电力、建材、石油、化工等许多行业主要运输设备之一。随着生产能力的不断提 高，带式输送机朝着大功率、长距离、大运量、高速度方向发展。因此在运行过 程中带式输送机的可控起动、功率平衡和实现皮带机的集中控制就越发显得重要。 带式输送机具有驱动功率大，多台电动机同时驱动等特点，因此带式输送机 对驱动控制系统有如下要求： 1 ) 如果电动机直接重载起动，要求电源提供比正常运行时大6 7 倍的电流，这 样电动机会因电流过大和起动时间长而过热烧毁；电网会因大电流使电压过分降 低而影响其它设备运转；所以希望电动机能空载起动。 2 ) 目前各种大型的机械一般都要求驱动系统能提供可调的、平滑的、无冲击 的起动力矩，以减小动应力，从而改善对整机的受力状况，延长整机的寿命，提 高设备的可靠性，即希望实现软起动。 3 ) 应用最普遍的笼型电动机，它具有运行可靠、结构简单、维护量小、投资 省，而且可以制造比直流电动机更大的容量、电压、转速，且利于应用在易燃、 易爆、易蚀等恶劣的环境，但是它的起动力矩较小，如果对于恒转矩的运输机械， 在重载下不借助于别的驱动装置就根本无法起动，电动机也将因闷车而烧毁；这 就需要传动装置与电动机间具有良好的匹配关系。 4 ) 对于长距离的带式输送机，如果起动太快，张紧装置还没来得及发挥作用， 这时就会使得传动滚筒打滑，导致发热量过大；对于大倾角上运输送机，如果起 动加速度过大，会引起物料下滑或滚料现象；这就需要起动加速度可控。 5 ) 在多电动机驱动的情况下，希望各驱动单元之间能做到合理分配驱动功率 的能力，即能实现功率平衡。 6 ) 为了实现输送机的定期检修，希望能实现低速运行。 7 ) 对于大功率的负载，特别是要求恒转矩的负载如带式输送机、刮板输送机 等运输机械，电动机的容量在满足额定工况下不可能选得很大；当出现严重超载 时，电动机将因闷车过热而烧毁，这就需要有过载保护功能。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 带式输送机智能控制的国内外应用现状及发展趋势 1 2 1 带式输送机监控技术发展趋势 带式输送机监控系统是以计算机为基础的运行过程监控的自动化系统。它可 以对现场的运行设备进行监控和控制，以实现数据采集、设备控制、参数调节以 及各类信号报警等各项功能。它是监督控制与数据采集系统( s c a d a ) 在输送机领 域的一个应用，因而具备了s a c d a 系统的一些特性，并且s c a d a 系统的发展 也将给输送机监控系统的发展指明方向。 s c a d a 系统是集计算机机术、网络技术、通信技术、传感器技术于一体的 工业自动化控制系统，它可以实时采集现场数据、对工业现场进行本地或远程控 制、对工艺流程进行全面实时监控，为生产调度和管理提供必要的数据，并可借 此运用控制理论算法提供更进一步的辅助分析和生产调度决策。 由于s c a d a 系统属于过程控制系统范畴，其发展历程也是紧跟过程控制系 统的发展脚步，5 0 年前，过程控制是基于3 1 5 p s i 的气动信号标准的基地式气动 控制仪表系统，即第一代过程控制体系结构( p c s ，p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) ；接 着发展成为基于模拟电流信号标准4 - 2 0 m a 的电动单元组合式模拟仪表控制系 统，即第二代过程控制体系结构( a c s ，a n a l o g o u sc o n t r o ls y s t e m ) ；2 0 世纪7 0 年 代，由于使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制系统，即第三代过程控 制体系结构( c c s ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) ：2 0 世纪8 0 年代，微处理机的出现 和应用，产生了分布式控制系统，即第四代过程控制体系结构( d c s ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 。 分布式控制系统( d c s ) 是采用标准化、模块化和系统化方法设计，由过程控 制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级所组成的一个以通信网络为纽带的 集中显示操作管理、控制相对分散，具有灵活配置、组态方便的多级计算机网络 系统。 d c s 的发展推动了相关技术的应用和发展，如可编程逻辑控制器( p l c ) 技术、 现场总线( f i e l db u s ) 技术、智能控制技术与过程控制技术等。同时这些技术也为 d c s 的发展提供了有力的支持和保障。而与p l c 技术的相融合已成为当今d c s 技术的重要发展方向。 带式输送机智能监控系统作为监督控制与数据采集系统( s c a d a ) 在输送机 领域的一个应用，必将顺应s c a d a 系统和d c s 系统的趋势，朝着标准化、模块 化、网络化、系统化的方向发展。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 带式输送机的起动过程控制技术研究现状 带式输送机是一个复杂的机电系统，它是由闭环的承载输送带和托辊及驱动 装置、拉紧装置、改向滚筒及其机架构成的系统。输送带运行的驱动力由驱动装 置提供，拉紧装置提供给系统必要的拉紧力，改向滚筒给输送带导向，托辊的作 用是支撑输送带及其上面的物料并减小输送带的挠度。 当驱动装置开始起动后，通过滚筒与输送带的摩擦作用，将驱动力传递给输 送带，输送带的运动需要克服各种运行阻力，而且输送带为粘弹性体，尽管在起 动过程中可以控制驱动装置的起动过程的速度，但并不能将运动直接传递到整个 输送带上，而是在输送带的粘弹性性质和阻力作用下，逐渐地将驱动力和速度传 播到整个输送带上，随着输送机的逐渐起动，输送带的张力由静止状态下的张力 变化到稳定运行下的张力，张力的变化又会导致输送带变形量的变化，这一变化 由拉紧装置和输送带的挠度变化所吸收。因而，要求驱动装置在保证输送机能够 在有载状态下起动的同时，还要尽量减小输送带的动载荷，避免出现振荡和冲击。 大功率长距离带式输送机的驱动装置一般采用多驱动单元方式，当驱动装置 布置在同一位置上时( 头部或尾部，也可能是多滚筒驱动) ，在起动过程和正常运 行时，需要考虑各驱动单元的功率平衡，以避免导致由于载荷不均衡而引起的电 动机过载甚至烧毁电动机的事故。 带式输送机的软起动技术是能够解决大功率驱动系统所遇到问题的关键技 术。从实际应用来看，国外早在七十年代已广泛使用，国内从八十年代末开始使 用。主要有c s t 驱动系统，调速型液力偶合器调速方式，电动机变频调速，液粘 调速装置。 1 3 论文研究的内容和方法 本文将对以下内容进行研究： 1 ) 根据大功率长距离大功率输送机的运行需要，分析带式输送机液粘调速自 动控制系统组成，包括上位监控、p l c 控制器、现场设备和各种保护传感器。研 究p l c 对带式输送机软起动，多电动机功率平衡控制过程，并编制控制程序。 2 ) 对比现有的输送机控制驱动方式的优缺点，研究液体粘性离合器+ 电动机+ 减速器的驱动方式。将对液体粘性离合器工作原理和p i d 控制模式进行了分析， 包括系统控制方式、控制特点以及数学模型等。在二阶系统模型的基础上，针对 其动态响应情况，将分析响应各阶段p i d 参数对系统性能的影响，进而提出p i d 参数的整定原则。通过分析目前各参数整定方法存在的问题，提出基于模糊控制 技术的p i d 参数自整定的方法。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 ) 首先分析模糊控制系统控制结构和控制原理，包括模糊化接1 3 、综合数据 库、模糊推理技术、解模糊技术等，在此基础上根据液粘调速系统的需要，建立 参数自整定模糊控制器的系统结构，并对模糊自整定系统的输入输出变量进行选 取与量化；结合专家经验建立了模糊控制规则，完成控制系统规则库的设计，并 采用最小最大- 力口权平均进行模糊推理与解模糊。采用m a t l a b 软件对所建立的基 于模糊p i d 参数自整定系统进行仿真和性能研究，并分析仿真结果。 4 ) 将根据带式输送机控制系统上位监控的需要，编制监控软件，实现 l a b v i e w 与a b p l c 的数据通信、数据采集、操作显示、报警、报表等功能。 4 东北大学硕士学位论文第2 章带式输送机控制系统 第2 章带式输送机控制系统分析与总体方案 2 1 带式输送机控制系统分析 带式输送机系统是由输送带、驱动装置、滚筒、托辊、拉紧装置及一系列辅 助设备等部件所构成的复杂的机电系统。随着生产能力的不断提高，带式输送机 朝着大功率、长距离、大运量、高速度方向发展。因此，带式输送机的控制应实 现以下功能： 1 ) 电动机能空载起动，输送机起动时的速度和加速度要有可调节性，尽可能 减少电动机起动时对电网的冲击； 2 ) 输送机的电动机功率较大，台数和驱动点不止一处，因此应实现各电动机 之间功率平衡的自动调节； 3 ) 为确保输送机安全运行的，输送机应设有机电保护装置； 4 ) 能实时监控输送机控制系统重要节点的数据，并及时反映各保护装置的报 警情况。 根据以上功能分析，得出带式输送机控制系统的组成如图2 1 所示。 带式输送机控制系统 软启动控制系统ll 机电保护装置系统ii 上位监控 蠢lj蓁ff 鬟f f 藩| f 霎f f 蓁f f 蓁j | 蓁 图2 1 带式输送机控制系统 f i g 2 1t h ec o n t r o ls y s t e mo fb e l tc o n y o r 2 1 1 软起动控制系统 现在的大功率长距离带式输送机较普遍的驱动方式有四种：笼型电动机+ 差 动式轮系液粘调速装置( 可控起动传输c s t ) 、笼型电动机+ 调速型液力偶合器+ 减 速器、变频调速装置+ 变频电动机加减速器、笼型电动机+ 液粘离合器+ 减速器。 5 东北大学硕士学位论文 笫2 章带式输送机控制系统 f 1 ) c s t 可控驱动系统 c s t 可控驱动系统是美国道奇利兰斯电气公司开发生产的一种专用于大型、 重载带式输送机的驱动系统。是带有电液反馈控制及齿轮减速器，在低速轴端装 有线性、湿式离合器的机电一体化的高技术驱动系统。典型的c s t 系统由以下部 分组成：机械传动系统；电液控制系统；风冷热交换器；油泵系统；冷却控制系 统。其工作原理是：根据实际情况，可通过控制器设置所需要的加速度曲线和起 动时间。在收到起动信号后，电动机空载起动，达到额定速度后，液压系统开始 增加离合器反应盘系统的压力。当反应盘相互作用时，其输出力矩将与液压系统 的压力成正比。设在输出轴上的速度传感器，检测出转速并反馈给控制系统，该 速度信号将与控制系统设定的加速度趋向比较，其差值将用于调整反应盘压力， 从而确保稳定的加速度斜率。反之，当收到停车信号时，液压系统开始减小对反 应盘系统的压力，通过调整液体压力，从而获得一个恒定的减速度而停车。 采用c s t 驱动装置控制方法的优点： 1 ) 起动平稳，可实现s 型曲线起动； 2 1 传动效率高达9 9 ； 3 1 可调速度1 0 9 9 ； 4 ) 功率平衡精度范围可达2 ； 5 ) 保护功能齐全； c s t 驱动装置的缺点： 1 ) 调速系统与减速器合为一体，体积大，安装不便； 2 1 在高速轴上配置逆止器、制动器困难； 3 ) 系统为机、电液一体化，复杂且维护困难，备品备件依赖进i ：3 ，后期运行 成本高、经济性差。 ( 2 ) 调速型液力偶合器驱动系统 调速型液力偶合器主要由偶合器、电动执行器、稀油润滑装置与油箱等组成。 其工作原理是利用液态传动介质来传递动力，通过调节偶合器工作腔内充液量的 多少，来控制偶合器输出轴的转速，达到输送机的可控软起动。先由电动机带动 偶合器的泵轮空运转，然后向偶合器工作腔内注入液态传动介质液。当导流管处 于最里边位置时，进入工作腔中的传动介质液全部由导流管流回油箱，此时涡轮 与输出轴不转动。当电动执行器带动导流管缓慢向外移动时，进入导流管流回油 箱的传动介质液逐渐减少，而进入工作腔中的传动介质液逐渐增多。在高速旋转 的泵轮叶片带动下，传动介质液形成高压高速液流，冲向涡轮叶片，使涡轮与输 出轴逐渐转动起来。随着工作腔内传动介质液的不断增多，涡轮与输出轴的转速 也就逐渐增加，直至达到额定转速。只要控制导流管向外移动速度，就可使带式 输送机按照设定速度曲线平稳起动。 6 东北大学硕士学位论文第2 章带式输送机控制系统 采用调速型液力偶合器驱动控制方法的优点： 1 ) 实现电动机空载起动，能利用其尖峰力矩作为起动力矩，提高其起动能力， 缩短了电动机起动时间，使皮带滞后于电动机缓慢起动； 2 ) 功率平衡达士5 ，起动加速度0 1 o 3 m s 2 ； 3 ) 隔离扭矩，减缓冲击，防止动力过载，保护电动机及带式输送机主要部件， 不会因过载而损坏。能实现多机顺序起动，减少对外界电网的冲击； 4 ) 结构简单可靠，无机械磨损，能在环境恶劣条件下工作，无需特殊保护， 使用寿命长，运营费用低，易于实现输送机的自动控制。 然而，由于调速型液力偶合器为工业通用性产品，不是使用在带式输送机上 的专用产品，对大功率长距离带式输送机采用调速型液力偶合器驱动的控制没有 达到较为满意的性能指标及精度要求，在大功率长距离带式输送机上应用还不多。 ( 3 ) 变频调速系统 使用在长距离带式输送机交流变频系统，由三绕组变压器，三电平电压源型 中压变频器，三相异步电动机，及相关选件等组成。变频器由一个3 绕组变压器供 电，其次级的2 个绕组间有3 0 。相位角，在电网侧形成1 2 脉冲装置，从而大幅度降 低对电网的谐波干扰。 使用在长距离带式输送机的中压变频调速驱动系统，应用于带式输送机类恒 转矩负载的调速驱动过程。在轻载及重载工况下，均能有效控制输送带输送机柔 性负载软起动软停车动态过程，实现各驱动之间的功率平衡，并提供可调验带速 度。由此降低直接起动快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带， 有效抑制输送带输送机动态张力波可能对输送带和机械设备造成的危害，延长输 送机使用寿命。 ( 4 ) 液体粘性传动 液体粘性传动是利用液体的粘性或油膜剪切作用来传递动力的，液粘传动技 术具有很大的发展前途和应用价值，液粘传动具有多方面优良的工作性能，主要 特点表现在： 1 ) 传动性能上，可无级调节所传递的转据和输出转速，并且调速的范围大， 灵敏度高；传动性能不受主动轴旋转方向的影响；可以实现无转速差的同步传动， 传动效率为1 0 0 ( 理论) 。 2 ) 传热性能上，相对运动的传动件之间存在有一层完整的油膜，没有相互之 间的直接接触与直接摩擦；功率损耗发生在油膜里，所产生的热量使油膜发热， 通过油液强迫流动，实现的是直接冷却。 3 ) 控制性能上，属于机液复合系统，易于实现转速调节的遥控和自动控制性 能；采用闭环控制时，转速的稳定性高。 4 ) 使用性能上，噪声小，易于维护且费用低；由于油膜的存在，特征传动件 7 东北大学硕士学位论文 第2 章带式输送机控制系统 无磨损或磨损很小，可以在有转速差的状态下长期工作，加之冷却散热条件好， 使用寿命长。 2 1 2 带式输送机的机电保护装置 带式输送机的机电保护装置是保证输送机正常运行，当发生事故时对输送机 的主要部件进行保护的机电装置。输送机的正常运行除取决于输送机主要部件的 质量外，机电保护装置也是不容忽视的。为确保输送机的安全运行，在输送机上 设置跑偏、打滑、撕带、煤位、温度、烟雾等传感器，当检测到故障时，系统进 行报警，严重故障时紧急停车，有效地防止事故发生和故障的扩大化。 ( 1 ) 跑偏 带式输送机运行中往往会因给料不正、输送带老化等原因出现输送带跑偏的 现象，若发现不及时就会出现输送带撕裂或断开的事故。安装跑偏保护装置可以 有效地预防这类事故的发生。 此类保护主要靠皮带跑偏开关探头的检测来实现。跑偏开关安装于输送带输 送机输送带的侧面，其探头位置为两档，分为轻跑偏档、重跑偏档。当输送机的 输送带轻跑偏时，跑偏开关的探头被推至第一档位置，轻跑偏信号被送回p l c 经 p l c 程序运算处理后，电笛、信号灯随之用声光报警，以提醒岗位操作人员，此 时，输送机不停车。若输送带跑偏严重，则跑偏开关的探头被推至第二档位置， 此信号返回后，p l c 会给出一个信号，让系统马上停车。 ( 2 ) 打滑 在运输含水量较多的煤炭时，输送带会沾上水，输送带输送机这时就会出现 传动滚筒转而输送带不动的现象，即打滑现象。如果发现不及时，长时间摩擦产 生的高温会烧坏输送带，甚至引发火灾。因此在输送带输送机架上设置测速传感 器，连续监测输送机速度，再设定一个输送带运行速度的下限值，这样，当输送 带运行速度低于设定值，控制系统就会发出声光信号报警，若再在p l c 内部使用 一个计时器延时，那么时长超过设定的时间值，输送带输送机就会自动停车。 ( 3 ) 纵向撕裂 输送带发生纵向撕裂的事故是指在运行中有某种异物( 铁棒、铁片等) 压挤或 穿入输送带，使输送带在纵向撕裂开，如果停车不及时，有时可以撕开几十米甚 至上百米长的输送带，其经济损失是相当大的。 此类保护主要靠皮带纵向撕裂监测保护装置来实现。一般选用预埋双排交替 线圈的方法采集断带信号，并在输送带的上下两面布置磁场变化探头，当输送带 正常运行时，线圈产生附加磁场，磁场探头检测的磁场信号恒定，由于线圈是连 续布置，可以认为检测是连续的，当输送带断裂时，输送带被撕裂的同时也撕裂 带内预埋的交替线圈，由于线圈断裂，所以由其产生的附加磁场也产生变化，磁 8 东北大学硕士学位论文 第2 章带式输送机控制系统 场探头会立即检测出断带信号，并将其传入p l c ，由p l c 发出报警信号。 ( 4 ) 溜槽堵塞 在运输物料的过程中，若因木料、铁条等杂物堵塞带式输送机机头溜槽，就 会发生堆料事故。此类事故轻则影响生产，重则造成输送带撕裂。针对这一隐患， 可以在机头溜槽的一角安装一个堆煤探头，探头前端为一根长约4 0 0 m m 1 0 0 0 m m 的钢筋棍，正常情况下，物料不会与钢筋接触，若出现堆料的情况，探头就会被 接地，马上既有信号返回到p l c 系统，就会有声光信号报警。 ( 5 ) 温度 在机头驱动部铺设洒水管，配置传感器，与温度保护配合，以完成超温洒 或防尘洒水。此项保护一般与烟雾报警配合使用，它既可以在输送带燃烧时发 作用，又可以在输送机异常运转导致输送带温度高于正常值保护输送带。 超温自动洒水装置的探头一般由铅、锡等金属组成的易熔合金做成。探头 输送带十分接近，当温度升高时，易熔合金被熔化，水管中的水就会喷出，浇 输送带上，给输送带降温，防止输送带被高温烧毁。 ( 6 ) 烟雾 在机头集中驱动和中间驱动下风向处设置烟雾传感器。 2 2 带式输送机控制系统总体方案 本论文以某水泥厂长距离输送机为背景研究带式输送机的控制系统，该输 机技术参数如下： 1 ) 运行能力：q ( 正常) = 8 0 0t h 、q ( 最大) = 1 7 8 9 2 t h 2 ) 输送机头尾中间水平距离：l = 3 7 5 0 m 3 ) 输送机速度：v = 3 15 m s 4 ) 电动机功率：3 2 5 0 k w 5 ) 输送机提升高度：办一3 7 4 4 m 6 ) 输送机宽度：b = 1 0 0 0 m m 根据前面对带式输送机控制驱动方式及应用现状的分析，采用电动机一液 粘性离合器一减速器模式的起动方式。在输送机空载或满载起动时，通过控制 速度斜率可以得到满意的起动过程，可以对起动阶段的加速度进行控制，使输 机的动态张力减至最小，具体液体粘性调速系统的研究见3 、4 章。 控制室设在输送机中间，控制室配置一台工控机，作为工程师兼操作员站 上位监控软件采用组态软件l a b v i e w 。并为报表打印设置一台喷墨打印机。控 室内的监控主机主要监视输送设备的顺序起停、运行方式的选择、运行指令的 送、故障的显示以及运行报表的记录和管理等，具体的监控软件编制见第5 章 9 另外，在中控室设有操作台，在计算机出现故障时显示输送设备上的重要状态、 故障、报警等信息，以便于操作人员及时解决故障。系统配置清单如表2 1 ，控 制系统组成如图2 2 。 表2 1 系统配置清单 t a b l e 2 1t h ee q u i p m e n t l i s t i n go fs y s t e r m 项目 描述型号 数量备注 1 工业控制计算机p 4 2 8 2 5 6 m 5 0 x c d 5 0 g c d r w 1d e l l 2 彩色液晶显示器 1 9 ”t f t l c d 3 可编程控制器 m i c r o l o g i x l 5 0 0 4 4 路模拟量输入模块1 7 6 9 i f 4 5 2 路模拟量输出模块1 7 6 9 o f 2 编程软件 r s l o g i x 5 0 0 监控软件l a b v i e w 通信软件r s l i n x 接口模块 1 7 6 i n e t - a i c 光纤电缆 打印机 操作台 各种传感器 喷墨a 4 d e l l a b a b a b a b n i a b a b h p 含接线端子、施耐德元器件 l 施耐德元件 图2 2 控制系统组成 f i g 2 2t h ec o m p o s i n go fc o n t r o ls y s t e r m 1 0 1 l l 咔 1 l l l 6 7 8 9 m n 屹 b 东北大学硕士学位论文第2 章带式输送机控制系统 2 3