前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的浅析永磁直联带式输送机实验平台设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：本文从实际需求出发，对比分析真实输送机运行环境与永磁直联实验环境的架构及特点，获取实验平台各模块与煤矿永磁直联带式输送机各机构的匹配关系，开发动力驱动模块、输送机构模块、负载匹配模块、在线检测模块；分析各个模型结构、输入输出以及模块间的相互关系，开发上位机与各外围设备之间的各种数据接口，完成实验台搭建。本实验平台的研发具有较高的应用研究价值 , 有利于更深入地掌握永磁带式输送机的输入输出特性，进行节能优化控制。
关键词：永磁直联；带式输送机；实验平台；节能优化控制
1 研究的背景及意义
随着煤矿工业技术的迅速发展，带式输送机向大功率、大运量、长距离、高性能等方向发展，随之而来的就是能耗的增大。随着推进煤炭行业循环经济，“节能减排”已成为煤炭行业发展的主流，很多煤炭企业都对高耗能设备的节能技术改进工作越来越重视。最佳能耗问题和控制模式是解决带式输送机耗能大的问题所在。永磁直联带式输送机与传统带式输送系统相比，其结构简单，具有变频调速功能、工作效率较高等优点，在煤炭行业的应用日益增长。但由于对于永磁直联输送机的先验数据的缺失，对其运行特性研究不够深入，特别是复杂工况下运行特性数据缺少，缺乏调速依据，即煤量与带速、能耗之间的关系，无法实现精准调速，永磁直联带式输送机大部分高速运行，空载、轻载时输送带的速度不调整，导致输送机产生了大量无效能耗；另一方面，在煤矿现场进行实验数据采集和算法验证时，需使整个煤矿生产线处于停运的状态，由此所造成的经济损失无法估量。为了深入分析永磁直联带式输送机在运行过程中电机输入输出特性、煤运量、皮带运行速度和功率之间的匹配关系，本文进行永磁直联带式输在线检测实验平台的研发。该实验平台的研发对深入获取永磁直联带式机运行特性数据、验证各种控制算法，进一步实现永磁直联输送机的智能监控具有重要意义。
2 国内外研究现状
文献 [1] 冯俊宾分析了带式输送机的控制系统及运量与带速之间的关系，进而实现对变频器的设计，实现带式输送机变频调速的功能，达到节能降耗的目标。文献 [2] 提出了一种基于激光扫描仪的节能优化控制策略，实现了带式输送机的节能调速。文献 [3] 杨引锁应用变频调速技术、模糊控制技术以及 PLC 控制技术，结合带式输送机的实际运行工况，提出了三种节能调速方案。与传统的恒速运行方案进行对比，三种方案都能达到节能降耗的目的。国外学者也对带式输送机节能控制做了大量的研究，文献 [4]Hans Lauhoff 通过对设计标准 DIN22101-2002 进行分析，对带式输送机进行阻力运算，根据“能量消耗率”，得出填充率在 60% ～ 100%，调节带速达到节能是不确切的。文献 [5]Mathaba T 考虑了电价临界峰值下，输送带的带速最优调节问题，采用模型预测控制 (MPC) 对输送带运行进行优化。综上所述，国内外学者对永磁直联带式输送机研究较少，先验数据缺失，对其运行特性研究不够深入。本文进行永磁直联输送机在线检测关键技术研究，研发永磁直驱带式输在线检测实验平台不仅可以降低现场进行实验所带来的经济成本，还可以避免现场实验的潜在危险性，为永磁直联带式输送系统的节能减耗研究提供了便利。因此，永磁直联带式输送系统的实验平台的研发对实现永磁直联带式输送机的节能优化控制具有重要意义。
3 实验平台的设计
永磁直驱带式输送系统实验平台主要由永磁直驱带式输送系统、模拟负载系统、参数测量与控制系统和中央控制与显示系统组成。
3.1 永磁直驱带式输送系统。该部分主要由三相永磁式同步电动机、变频驱动控制器、电源控制柜及 5000×800mm 输送带组成。采用变频驱动控制器控制三相永磁式同步电动机，进而驱动输送带运动，上位机采用 PID 控制算法实现三相永磁式同步电动机转速和转矩的精确自动控制，进行变频调速，模拟物料的运动、形态变化等。通过冷却系统对永磁直驱带式输送系统进行冷却，保证该系统长期（不小于 5h）稳定运行。
3.2 模拟负载系统。该部分主要由磁粉控制器、磁粉制动器、变频驱动控制器、电源控制柜工业冷水机等组成模拟负载系统。拟采用磁粉制动器实现永磁直驱带式输送系统典型工况下（恒定载荷、突变载荷和连续变化载荷）物料负载的模拟，实现各典型工况负载的动态实时加载。循环式工业冷水机具备良好的冷却效果，并能实现冷却水循环、制冷等，具有冷却效果好、成本低的优点，故本项目拟采用工业冷水机实现模拟负载系统的冷却，以保障模拟负载系统长时间（不小于 5h）稳定运行。
3.3 参数测量与控制系统。该部分主要由扭矩转速传感器、扭矩转速变送器、电流传感器、电流变送器、电压变送器、温度传感器、温度变送器、振动传感器、CCD 测量模块、信号隔离剂调理模块、NI c DAQ信号采集设备、供电模块组成。结构图如图 1 所示。
（1）转速转矩传测量。转速转矩传感器采用一体式结构，通过联轴器安装在三相永磁同步电动机和输送带之间，通过变送器将转速转矩转换成 0 ～ 5V 电压，实现驱动电机和磁粉制动器转速和转矩的实时测量，并可反馈给控制系统，实现驱动电机和磁粉制动器的 PID 精确控制。
（2）电流测量。电流传感器采用霍尔式传感器，通过变送器将电流信号转换成 0 ～ 5V 电压，实现变频控制器、三相永磁同步电动机、磁粉制动器、电源控制柜电流大小的精确测量。并可反馈给控制系统，实现驱动电机和磁粉制动器的 PID 控制调节。
（3）电压测量。直接采用电压变送器，将电压信号转换成 0 ～ 5V 电压，实现变频控制器、三相永磁同步电动机、磁粉制动器、电源控制柜电压大小的精确测量。并可反馈给控制系统，实现自动了逻辑控制。
（4）温度测量。采用贴片式温度传感器，安装在被测体表面，配合温度变送器将温度信号转换成 0 ～ 5V 电压信号，实现三相永磁同步电动机、磁粉制动器温度的精确测量。并可反馈给控制系统，实现自动了逻辑控制。
（5）振动测量。采用压电加速度传感器，安装在被测体表面，实现三相永磁同步电动机、输送系统振动信号的精确测量。通过振动信号可进行永磁直驱带式输送系统实验平台振动分析和控制。
（6）图像信息测量。采用高精度 CCD 模块，实现输送带上物料的三维几何量测量，后续可进行物料量估算。上述六类信号的电压模拟量通过信号隔离调理模块，NIc DAQ 多通道数据采集模块数字化后进入计算机，通过开放的 Lab VIEW 软件编程可进行存储、实时显示、性能参数计算以及数据集的构建，以进行后续的分析和模型验证。
3.4 中央控制与显示系统。该部分包括永磁直驱带式输送控制软件模块、模拟负载控制软件模块、系统性能参数测量管理软件模块等组成。
（1）永磁直驱带式输送控制软件模块。Lab VIEW 开发，控制 NI c DAQ 的 A/O 模块输出控制信号，按照实验要求实现永磁直驱带式输送系统的自动控制。
（2）模拟负载控制软件模块。通过人机交互界面可以对工况的编辑，完成典型负载模拟；通过在其他环境下，编辑好工况曲线（N-t 曲线），通过 U 盘导入工况文件数据，完成复杂工况下的负载模拟。
（3）系统性能参数测量管理软件模块。Lab VIEW 和N I - D A Q m x 开发；完成本实验平台各参数（电压、电流、温度、振动、转矩、转速、CCD 图像信息）的实时测量、波形显示、回放、存储、导入导出；并可根据用户要求定制输出；可完成本实验平台输入输出功率、效率、节能参数等性能参数计算，绘制各种性能曲线；完成各典型工况下各模型训练数据集和测试数据集的标注、存储、调用、导入、导出。
4 实验平台实现的功能
具备 5000×800mm 物料的运输能力，能够避免物料（如沙石等）的洒落。“模拟负载系统”能够模拟永磁直驱带式输送系统的典型工况，如恒定载荷、突变载荷和连续变化载荷，实现各典型工况负载的动态实时加载。且载荷曲线（N-t 曲线）可按要求任意编辑，以实现复杂工况的模拟加载。在线参数测量系统能够实现永磁直驱带式输送带、模拟负载系统和水冷系统各性能参数（如：温度、振动、电流、电压、转速、转矩、功率及煤量图像）的测量与计算、波形 / 数值显示、波形测量、数据存储、回放、导入导出等。实验台控制系统能够实现永磁同步电动机运动状态的控制、模拟负载系统的控制、水冷系统的监测与控制，并根据运行状态进行安全控制和预警，确保运行安全。控制及测试支持 Lab VIEW 或其他软件二次开发，系统各部分具备通讯或控制接口，支持程控调用配置，并且能够实现各典型工况下各模型训练数据集和测试数据集的建立和管理，并提供统一的数据接口，便于第三方软件或程序的调用。
5 结语
本实验台能够实现永磁直驱带式输送机各性能曲线及其参数的在线检测，具有较高的应用研究价值 , 有利于更深入地掌握永磁带式输送机的输入输出特性，进行节能优化控制。
作者：朱志康 王桂梅 刘杰辉 杨立洁 单位：河北工程大学机械与装备工程学院