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1、基于模糊控制的皮带多机驱动功率平衡控制器的研究 摘要：目前, 我国煤矿行业使用的带式输送机已逐步向长距离、大容量、高速方向发展。因此, 对电机驱动功率的需求越来越高, 然后采用多电机驱动, 以避免单机驱动带来的问题。在实际使用过程中, 多机驱动虽然有许多优点, 但驱动功率的分布不平衡。这是因为煤矿生产中使用的输送带属于输送带。在输送物料时, 如果输送带的每个驱动部分的驱动功率不平衡, 会造成严重的不平衡张力, 因此传送带将被拉扯、偏离或断开。驱动电机的裂纹和故障。为了解决这一问题, 本文提出了一种模糊控制策略, 利用 PLC 和调速液压耦合器调整多机驱动的功率平衡。同时, 对整个控制系统的结构
2、进行了研究。本文的控制方案是: 通过对输送带速度和各驱动电机定子电流信号的监测, 将其传递给 PLC 控制器, 并将输送带的实际速度与给定的速度进行比较, 以控制输送机的启动 b尔特;通过将监测电流信号与参考电流信号进行比较, 以两个信号之间的差异为控制信号, 通过步进电机控制液压耦合器的勺子杆上下控制。动态位置用于控制液压耦合器中的充油, 使驱动电机的定子电流值彼此接近, 以满足电机驱动功率平衡的要求。本文选择西门子 PLC300 作为硬件选择的主要控制器, 选择了控制系统的模块, 包括 a/模块、高速计数模块、隔离网格等。并对系统硬件各模块的布线进行了全面的设计。在程序设计部分, 详细设计
3、了控制系统的主要程序和各种子程序模块。从仿真结果和本文设计的系统来看, 采用模糊控制策略实现多机输出功率平衡是可行的。关键词:驱动功率;模糊控制;输送带;液力耦合器;MATLAB; PLC300目 录1.1课题背景及研究意义31.2课题的研究现状31.3本论文的研究内容和方法42.1带式输送机概述62.2多机驱动带式输送机的组成结构62.2.1皮带张紧装置72.2.2输送带72.2.3托棍72.2.4驱动装置72.3液力親合器可控调速装置82.4多机驱动带式输送机驱动功率平衡控制策略83.1 PLC及其器件介绍103.1.1PLC 介绍103.1.2 PLC的功能103.1.3 UPLC的特点
4、113.1.4西门子PLC介绍123.1.5西门子PLCS7-300硬件介绍123.1.6 S7-300系列PLC的主要优点143.2控制系统的硬件总体设计143.3 S7-300基本模块的选型及外围接口电路的设计164.1软件设计原则174.1.1软件设计要求174.1.2程序设计思路174.2 S7-300系列PLC程序编程184.3控制系统总体程序设计19第一章 绪论1.1课题背景及研究意义带式输送机是一种用于运输散装物料的运输设备。它具有大容量和工作时间。长途运输广泛应用于轻工业和重工业。随着我国矿业的不断扩大, 需要运输距离较长、运输量大、工作效率高的带式输送机, 并生产大型带式输送
5、机。目前, 在煤矿生产领域, 已采用大型带式输送机, 但在实际应用过程中, 当皮带处于一定的张力状态时, 如果皮带是由劣质电机驱动的, 就不能满足要求。为了降低皮带的张力和电网的谐波, 基本上采用了多机驱动模式。一般情况下, 在理想状态下, 功率和驱动力的分布比是相同的, 但实际上, 功率和驱动力的分布比将因各种因素而偏离。这将导致胶带上张力分布不平衡, 从而导致驱动电机负载不平衡, 在严重的情况下直接导致电机损坏。目前, 这种问题在大多数大型带式输送机中都存在。此外, 欧美发达国家在带式输送机开发领域取得了大量的研究成果, 无论是在带式输送机的整体设计和控制性能方面都处于相对领先地位。与之相
6、比, 我国带式输送机技术的发展相对滞后, 我国大型带式输送机的核心技术仍依赖于进口。因此, 研究矿带多电机驱动功率平衡控制器, 不仅是为了解决煤矿生产中遇到的实际问题, 也是为了将先进的智能控制策略应用于实践, 深化煤矿带动力平衡控制器。通过实践对控制策略的理解和研究。1.2课题的研究现状国外对带式输送机的研究比较早。目前, 已开发出适合各种要求的输送系统。主要研究内容包括复杂模型构建、动态和静态特性研究、控制算法和先进的控制策略研究。在驱动装置中, 主要技术有: CST 驱动系统、电机加液压称重装置、液体粘性驱动调速装置和交流变频调速装置。CST 是一种主要用于大型带式输送机的驱动系统。CS
7、T 的基本原理是使用控制器设置加速度曲线和软启动时间。在油压作用下, 反应盘相互摩擦, 传递到机械设备的力矩与压力成正比。此外, 系统本身的反馈调节能力可以稳定加速度。但缺点是, 如果电机在没有负载的情况下直接启动, 就会产生较大的启动电流, 这将极大地影响电网的电压, 传输效率较低, 运行装置产生的热量较高。CST 液压控制系统结构复杂, 维护难度较大。液压粘滞驱动调速装置通过使用机械的内部作用来控制联轴器的运行。液体粘性调速装置不仅可以控制输送机的速度和稳定运行, 还可以平衡多台电机的负载功率, 从而提高输送机的安全性、使用寿命和经济效益。其缺点是不能准确控制输送机的启动和运行, 散热性能
8、差, 容易影响调速装置的工作。交流电机变频调速装置是一种新型的电气产品。主要采用电力电子技术和现代控制技术。它可以实现电机的无极调速, 具有较高的控制精度。其原理是通过改变电机电源的频率来调整电机的速度。当功率不平衡时, 电机的频率会随着时间的推移而调整, 电机的功率会通过改变每个变频器的频率来重新分配。目前我国对带式输送机的研究主要集中在大倾角、长距离大型带式输送机系统的零件和控制装置上。通过采用动态分析技术、中间驱动和智能控制技术, 开发了各种软启动和制动方法, 以及 PLC 可编程数字系统控制装置。其次, 进一步研究了带式输送机的部件和结构, 包括带式速度对输送机运行阻力的变化、弯曲部分
9、输送机轨道张力的计算方法以及输送机的状态模型。输送机在水平线上运行, 以及各种动态特性。同时, 在控制系统中应用了一些先进的控制策略, 并采用计算机计算了输送机轨道的张力。控制设备的运行状态等。典型的例子是采用模糊神经网络控制策略与 DSP 处理器相结合的方法对带式输送机进行控制。该方法具有控制实时性和快速响应性特点, 但由于对控制策略和算法的要求较高, 在控制精度和控制效果方面难以达到理想状态。1.3本论文的研究内容和方法本文的主要目的是控制多驱动输送带的功率平衡, 分析多变量模糊控制策略的实际应用效果。具体内容如下: (1) 分析了大型带式输送机现有驱动装置的不足, 研究了液压称重装置,
10、分析了输送机的组成原理, 并对带式输送机的结构进行了分析。.(2) 详细介绍了模糊控制策略, 包括其基本原理和实时控制方法, 以及实现多电机驱动功率平衡的方法。(3) 根据控制系统的控制结构和控制要求, 对系统的每个部分进行硬件选择和外围接口电路设计。详细介绍了西门子 PLC300 系列的功能和特点。设计了模糊控制器。建立了模糊控制规则和一般控制决策表。控制电机的负载功率, 实现多机驱动功率平衡的控制。(4) 结合 PLC300 软件编程开发和控制算法的特点, 进行了程序流程图的设计。第二章 多机驱动带式输送机的结构及控制方案2.1带式输送机概述所谓大型带式输送机是指输送机的输送机工作台长度超
11、过 l0km, 运输能力超过3000l:h, 电机的总容量在 l000kW 以上。带式输送机的结构比较复杂。与其他散装物料运输方式相比, 带式输送机具有材料种类繁多、输送能力范围广、输送线适应性强、物料装卸灵活、重量强等优点可靠性高、安全性高、成本低。多机传动带式输送系统由机械设备、电动驱动装置和计算机控制装置组成。系统的控制对象是驱动电机, 控制参数是电机的速度和负载功率。该系统的核心是利用计算机控制技术控制带式输送机的工作状态, 以满足工业生产的要求。首先, 详细介绍了带式输送机的基本结构和工作原理。然后, 详细介绍了带式输送机的不同驱动装置。在此基础上, 着重分析了本文所使用的可控调速装
12、置的结构和原理。2.2多机驱动带式输送机的组成结构带式输送机是一种连续的机械输送设备。整个设备由输送带、倒车鼓、银载体、张紧装置、驱动装置等保护装置组成。随着工程技术的发展和更新, 带式输送机逐渐采用了多种驱动方式, 驱动方式多样化, 出现了单点驱动、双点驱动、多点驱动。单点驱动是指在整个输送机的头部或尾部安装驱动传动装置;两点驱动是指在输送机的头部和尾部安装驱动传动装置;所谓多点驱动, 是指在输送机的头部、中部和尾部安装驱动传动装置。其中, 两点驱动和多点驱动在大型带式输送机中得到了广泛的应用。其目的不仅是为了降低皮带在工作时的张力, 也是为了提高工作效率。多机传动带式输送机, 由于是多点驱
13、动, 使皮带的最大张力大大降低, 因此可用于带低强度带式的长距离带式输送机。如果采用这种驱动模式, 如何调整驱动装置的负载分布以及每个驱动装置的启动顺序和间隔时间是一个重要问题。选择单鼓还是多鼓驱动取决于整个输送机的功率。一般情况下, 如果整机功率超过 4 5千瓦, 可以考虑多点驱动模式。针对煤矿长途距离长、运输能力大的情况, 通常采用头双鼓驱动带式输送机。每个鼓由两个电机驱动。有三个电机一起工作, 以驱动带式输送机。2.2.1皮带张紧装置带式输送机上的皮带运动由传送带与输送机导轨上的驱动鼓之间的摩擦力支撑。因此, 当带式输送机运行时, 必须保证带式输送机的拉力足够大。拉力由张力装置控制。带式
14、输送机要求张力装置不仅要满足皮带伸长的要求, 而且要根据需要使拉力调节。张紧装置的主要功能是: 通过产生拉力和防止皮带在滚筒上滑移, 确保皮带获得所需的牵引力;使支承银之间的皮带下垂满足要求, 降低皮带的运行阻力;在输送机的启动停止和正常运行过程中, 补偿皮带的塑性和弹性介质长度;并减少皮带启动-停止过程中的动态载荷。2.2.2输送带带式输送带属于由多种复合材料组成的带式带。它在结构上分为多层, 主要是覆盖层和岩心体。使用的材料有棉织物、钢丝绳、尼龙等。因此, 皮带的粘弹性非常好, 但也有许多独特的物理和机械特性, 如非线性、滞后性、螺杆变性、松动等。从这些输送带的力学示意图中可以看出, 输送
15、带具有良好的粘弹性。当带式输送机工作正常时, 由于负载不稳定等外部因素, 带式的粘弹性体变化不规律, 甚至振动, 皮带的工作状态失去其稳定性。无论是电气控制系统还是机械传动系统, 都会造成很大的冲击。2.2.3托棍该支撑装置安装在带式输送机的输送导轨上, 以支撑带带, 降低带式的下垂值, 使其在输送物料过程中不会遇到强烈的阻力, 从而具有稳定运行的状态。该支架按照输送机导轨上规定的距离进行组装, 其性能和质量对输送机的正常运行有很大影响。目前, 地下矿井使用的支架接近包不仅能有效防止煤尘, 还能有效防止水进入轴承。此外, 支承母通过滚动轴承与输送导轨机械连接, 使运行部件之间的摩擦力较小。2.
16、2.4驱动装置在带式输送机系统中, 驱动装置的功能是提供带式输送机运行所需的驱动力。当驱动装置启动时, 滚筒和皮带之间的摩擦被用来将驱动力转移到皮带上。此外, 在运行过程中, 带式输送机需要克服各种阻力。此外, 驱动装置的启动过程可以控制, 也可以快速启动, 而磁带不能快速与之同步, 这就需要缓慢的启动过程。从胶带开始到稳定运行, 它所承受的张力会逐渐增加。但张力的变化会改变皮带的变形, 很容易引起输送系统的振动和冲击。启动时, 通常要求驱动装置按顺序启动, 以避免电机在过载下启动。多机驱动带式输送机需要大容量电机, 可实现有载启动和多点驱动, 对驱动装置的要求越来越高。基本要求如下: (1) 启动平稳, 在负载下启动, 并有足够的加速度, 以减少因动态负荷过大而产生的波动, 避免胶带与滚
