基金项目：内蒙古自治区教育厅高等学校科学研究项目：矿用长距带式运输机多机变频控制平衡驱动及托辊辅助驱动系统仿真设计(NJZY22237)；鄂尔多斯职业学院提质培优项目：《过程控制技术》课程混合式课堂探索（EZTZ20210303）；

0引言：

带式输送机，是物料输送不可或缺的设备之一，广泛应用于矿山、港口、化工等行业，随着科技的进步、智能化技术的升级，超长距离带式输送机应用越来越广泛，长距带式运输机是欧洲、美国、澳大利亚等发达国家建设智慧矿山的研究热点。20 世纪70 年代，德国鲁尔区Haniel-ProsperⅡ号煤矿使用规格最大的带式输送机，其带宽为1.4m，功率可达 2×3100KW[1]。随着21世纪的到来，单机最长的带式输送机已应用到澳大利亚铝钒矿，输送机长度可达100km,由多台输送机组合而成，单机带式输送机可达30km[2]，同时，德国露天煤矿输送系统应用了运量高达 37500t/h，带速为 7.4m/s 的大型带式输送机[3-4]。美国久益（JOY）公司设计的运输机和德国艾柯夫（Eichoff）公司研发出多个系列的长距带式运输机，大多数驱动技术采用CTS(Controlled Start Transmission) 可控传动驱动技术，将变频技术、软启动等应用到输送系统中，上述输送机虽然具有大功率、柔性启动等优点，但多电机功率平衡、大倾角驱动技术及可靠性方面仍是当前带式输送机研究的热点内容。

我国带式输送机的研发和使用起步较晚，20世纪70年代随着采煤综合机械化的应用，大型采煤研发单位相继设计了可伸缩带式输送机和钢丝绳带式输送机，90年代后，我国成功研发长距离、大容量带式运输机，随着煤炭产量的提升，2012年后，国产带式输送机呈现多元化发展趋势，带式输送机变频技术，大倾角控制，弧度转弯控制等得到了较快的发展，但长距离带式输送机的多机驱动技术、多机功率平衡、CTS控制技术、智能控制、节能技术有待进一步研究。

长距带式输送机重载运行时，因摩擦条件限制、输送带弹性系数、张进装置及驱动电机控制技术等原因，会产生多个电机功率匹配不平衡，不协调，单个电机超负荷运行等缺陷。为了解决上述问题，提出了相应控制策略，文献［5］直接转矩控制电机功率平衡，具有稳定性好、响应速度快的优点，但过分依赖于电动机参数控制。文献［6］通过电流控制法控制电动机的功率平衡，但并未设计控制算法。参考文献［7］模糊神经PID算法控制电动机的功率平衡，能获得较高的精度，但算法复杂、计响应时间较长。文献［8］利用神经网络、遗传算法和模糊控制控制变频器的输出电压，虽响应速度快但精度不足。

基于此，设计了长距带式运输机多机平衡驱动技术和托辊辅助驱动技术，解决了多机驱动电机功率分配不平衡问题，将长距输送带的重载负荷平均分散到整条输送带中，分散了负荷的集中。

1.多机平衡驱动技术

1.1多机变频控制平衡驱动技术：

变频控制技术已普遍应用于工业各个领域，尤其变频器控制大功率三项异步电动机有其独特的优势，可按要求实现柔性启停、速度控制和故障报警等功能，也可完成多台电机的工业以太网控制或通信控制，项目长距带式运输机驱动方式使用功率相同的三相异步电动机（电压等级：660V,1140V,3300V，50KW以上），随着科技的进步，变频器的功能越来越完备，变频器可直接调控大功率驱动电机的功率输出，通过变频器驱动输送带系统的电动机可省略减速机配置，驱动电机自身和驱动滚筒设计为一体，直接驱动输送带。

1.2工业以太网（TCP/IP）

工业应用领域，通信协议种类较多，如RS-232、RS-485、CAN、MPI、PROFIBUS、PROFINET等，近年来，随着智能化生产现场和工业自动化技术的提升，对通信协议的要求越来越高，如稳定性、传输速率等，使得各种协议逐步向工业以太网技术(TCP/IP)靠拢，该协议得到了广泛的应用，特点如下：

（1）传输速率高：工业以太网传输速率可达1000Mbps以上，网络延时小，可快速完成大数据的传输，而其它通信协议传输速率较较低，如RS-232最大传输速率约为20kbps，RS-485最大传输速率为10Mbps，CAN总线最大传输速率为1Mbps，PROFIBUS传输速率可达12Mbps。

（2）可靠性高稳定性好：工业以太网是一种可靠性较高的网络技术，能提供稳定的网络连接和冗余校验容错技术，不易受到外部环境干扰，较其它通信协议更为稳定。

（3）兼容性强应用广泛：工业以太网兼容性较强，可兼容多种不同厂商的设备，满足以太网通信协议的设备和软件可接入系统，工业以太网应用广泛，已延伸到工业应用各个领域。

（4）技术成熟成本低：工业以太网硬件相对便宜，使用交换机和双绞线（网线）就可以满足工业设备的控制和设备之间的访问和通信，技术成熟成本低廉。

1.3工业以太网多机变频平衡驱动控制技术：

实现带式运输机多机功率输出平衡，系统采用PLC、工业以太网和3台变频器分别控制3台电动机的功率输出，系统工作时，PLC通过工业以太网实时采集监测电机的负荷电流（1驱电机驱动电流：，2驱电机驱动电流：，3驱电机驱动电流： ），并以输送带1驱电机电流为基准电流，运行过程中，PLC实时比较并控制2驱、3驱电机工作电流。将基准电流分别与和作差运算，依据运算结果由以太网传输控制信号给变频器，调节功率平衡，系统设计如图1-1所示。

图1-1 多机变频平衡驱动控制系统设计

（1）平衡驱动控制策略

系统启动后，用户在上位机设定输送带运行速度，并在设定的时间内启动输送带，运行过程中，PLC控制器实时采集3台驱动电机电流、、，采样周期为1, 以2驱电机为例，将基准电流和2驱电机电流作差运算，当：，(：允许误差)，则PLC提升2驱变频器输出频率，增大2驱电机工作电流，若：，则2驱电流已调节到允许误差之内，并保持当前频率运行，直到下一次非平衡电流产生为止。

当：，(：允许误差)，则PLC降低2号变频器输出频率，减小2驱电机电流，仅当：，则2驱电流已调节到允许误差之内，并保持当前频率运行，直到破坏平衡为止，平衡驱动控制策略流程图，如图1-2所示。

图1-2 平衡驱动控制策略流程图

3驱电机平衡驱动控制与2驱电机平衡驱动控制方法相同，将基准电流和电流作差运算，控制3驱变频器频率输出和电机电流调节，通过上述控制策略可平衡各个电机的功率。

2．托辊辅助驱动技术

长距带式运输机运行时，位于皮带下方的托辊承担托举承载功能，自身不产生驱动力，运输机重载运行时，为了减轻3台主驱动电机的负荷，设计了托辊辅助驱动技术，每个托辊装置自身为直流永磁电机，可产生约1KW功率，当输送带重载时，托辊辅助驱动系统介入，每个托辊产生驱动力，以增加对整个输送带系统的驱动能力。

长距带式运输机的每组托辊为串行三联式托辊，两端托辊倾斜并承担围挡功能，中间托辊承担托举功能，设计中间托辊为直流永磁电机托辊，可依据驱动能力需求设定驱动托辊个数。

PLC控制器采集监测各电机运行功率，当1驱电机输出功率小于其额定功率时，直流托辊电机处于自由态，随输送带自由转动，当1驱电机输出功率大于其额定功率时，系统进入重载运行阶段，此时，控制器发送启动信号给托辊电机，使该电机以输送带设定速度运行，直到1驱电机输出功率小于其额定功率。托辊辅助驱动策略流程图，如图1-3所示。

图1-3 托辊辅助驱动策略流程图

3.带式运输机速度设定

系统运行时，应从输送带的节能、冲击张力强度、物料流量大小等多个因素设定输送带的运行速度，上位机参数设定中提供了7种速度供用户选择（停止速度，，流量小于，，流量介于，流量介于，：，流量介于，：，流量介于，：，流量介于）。基于仿真需求将系统设定为5种速度，停止速度，空载速度，轻载速度，满载速度，重载速度 ，当皮带运输机重载运行达到额定功率时，输送带持续时长不超出，否则系统进入停车保护状态。

4．结论

采用本文控制方法软件设计仿真，设定系统输送带运行速度为3，使用三台额定电压为660V，额定电流为100A，功率相同的90Kw电机作为主驱动动力，使用50个相同的1Kw直流托辊电机作为辅助驱动，系统仿真运行后，输送带在210S后启动，重载负荷运行时，在3速度区间运行， 1驱电机与2驱、3驱电机电流波动误差控制在 之内，系统提解决了运输机重载时多机平衡控制和输送带张力的集中问题，同时提升了长距带式输送机的可靠性、安全性、节能的目标。

参考文献：

[1]徐 鹏，模糊变频控制在带式输送机调速中的应用研究[j]，煤 炭 技 术，2021（5）：174-176.

[2]张永锋. 带式输送机变频自动张紧装置设计及控制算法优化研究[D].太原理工大学,2020.DOI:10.27352/d.cnki.gylgu.2020.001660.

[3]王巧莲 ，高彩霞 ，王福忠. 多机驱动大倾角带式输送机模糊控制算法[j]. 工 矿 自 动 化,2016(5):47-49.

[4]薛彦波.多机驱动带式输送机功率平衡控制方法[j].工矿自动化，2016（3）：75-76

［5］李志勇．硬轴联结多电机功率平衡控制方法［Ｊ］．电机与控制学报，2009，１３（３）：３９８－４０１．

［6］ 徐鲁辉，李福东，张超，等．多机驱动带式输送机功率平衡的研究与 分 析 ［Ｊ］．工 矿 自 动 化，２０１１，３７（５）：６３－６６．

［7］ 陈余．基于智能算法的模糊神经ＰＩＤ技术的煤矿井下带式输送机控制研究［Ｊ］．煤矿机械，２０１４，３５（４）：３９－ ４１．

［8］ 孙伟，王慧，杨海群．带式输送机变频调速节能控制系统研究［Ｊ］．工矿自动化，２０１３，３９（４）：９８－１０１．