CN115140518A - 带式输送机履带底座同步跟随plc闭环控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***及方法，包括传感***，PLC控制箱以及工控机；传感***设置于带式输送机中间桁架的履带车，对带式输送机履带车上的两条履带的速度，轴向，纵向和角度的偏移量进行数据采集；传感***与PLC控制箱连接，将所采集的数据传输给PLC控制箱；PLC控制箱与工控机连接，将数据传输给工控机进行计算后得到控制逻辑；工控机与PLC控制箱连接，将得到的控制逻辑发送给PLC控制箱；PLC控制箱与带式输送机履带车驱动变频电机连接，根据控制逻辑控制带式输送机履带车的速度。本方案通过PLC闭环控制履带车的运动使其与中间桁架在三个自由度上的偏差重新回到0，提高了履带同步跟随运行的可靠性和中间桁架的稳定性。

Description

带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***及方法
技术领域
本发明涉及机械制造技术领域，具体涉及露天煤矿横向自移带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***及闭环控制方法。
背景技术
近些年来，露天煤矿横向移置式输送机得到了广泛的应用，传统的横向移置式输送机的横向移置过程是通过移设机来实现的，效率很低。
为了适应露天矿采煤工作面的实时变化，履带底座式的横向自移带式输送机开始得到应用。
如下图1所示，机身中间桁架2跟机头架1和机尾架3采用铰接结构4连接，机头架1，机尾架3与机头架和机尾架履带车5完全固定，中间桁架的履带车6有x、y和zr三个自由度，用以释放履带车运行不同步导致的机头架1，中间桁架2，机尾架3之间的相互作用力。
为了确保中间桁架与履带车6的连接稳定性，两者在三个自由度上并不是无限制放开的，而只能在一定范围内相对运动。
因此，当履带车6与中间桁架2在三个自由度上出现较大偏移时，需要控制中间桁架履带车6在三个自由度上的偏差重新回到0。
目前现有的履带底座式的带式输送机只是在中间桁架2与履带车6之间放开x、y和zr三个自由度，并没有三个自由度上的偏差归0的PLC闭环控制方案。在带式输送机履带车短距离横向移动时，没有闭环控制的方案尚可行，但是，当履带车长距离横向移动时，履带车6与中间桁架2有可能会在三个自由度上达到极限位置，这会导致履带车6与中间桁架2之间的相互作用力急剧增加，同时中间桁架2与机头架1、机尾架3之间的铰接结构4也会承受急剧增加的应力，极易造成中间桁架的弯曲变形和铰接机构4的破坏。
由此可见，现急需一种可靠的控制***能够让中间桁架在三个自由度上的偏差重新回到0为本领域需解决的问题。
发明内容
针对于现有中间桁架无控制调节***的技术问题，本方案的目的在于提供一种带式输送机同步跟随PLC闭环控制***，其能够提高中间桁架偏差调节的可靠性；在此基础上，还给出了闭环的控制方法，很好地克服了现有技术所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***，包括传感***，PLC控制箱以及工控机；所述传感***设置于带式输送机中间桁架的履带车，对带式输送机履带车上的两条履带的速度，轴向，纵向和角度的偏移量进行数据采集；所述传感***与PLC控制箱连接，将所采集的数据传输给PLC控制箱；所述PLC控制箱与工控机连接，将数据传输给工控机进行计算后得到控制逻辑；所述工控机与PLC控制箱连接，将得到的控制逻辑发送给PLC控制箱；所述PLC控制箱与带式输送机履带车驱动变频电机连接，根据控制逻辑控制带式输送机履带车的速度。
进一步地，所述传感***包括速度传感器，位移传感器以及偏角传感器；所述速度传感器分别设置于中间桁架履带车左右履带的驱动变频电机上；所述位移传感器以及偏角传感器设置于中间桁架的履带车上。
进一步地，所述工控机根据带式输送机履带车左右履带的速度以及轴向，纵向和角度三个自由度L，W以及θ上的运动方程计算出Tc、v1c和v2c的值，满足以下方程式：
Figure BDA0003789838430000021
Figure BDA0003789838430000022
其中，T为初始设定的一个PLC闭环控制时间，为固定值；v10和v20分别为履带车左右履带速度的初始值，该初始值一般由驱动左右两条履带的变频电机的转速获取；v1c和v2c为速度控制过程的转折点，对应的时间点为Tc；
在v1(t)和v2(t)表示的速度控制函数下，利用履带车转向理论可得到履带车的旋转角速度函数：
Figure BDA0003789838430000031
B为履带车左右履带间距，由此进一步得到三个自由度上的偏移函数L(t)，W(t)，θ(t)，
Figure BDA0003789838430000032
Figure BDA0003789838430000033
Figure BDA0003789838430000034
L0、W0和θ0为三个自由度上的偏差初始值，在实际情况中，偏角θ的值很小，为了便于式(8)(9)的积分运算，对sec(θ(τ))和sin(θ(τ))进行泰勒展开后略去二次项和二次以上的项，可以得到：
Figure BDA0003789838430000035
Figure BDA0003789838430000036
将式(1)和(2)代入式(4)(7)(8)，并令θ(t)、L(t)、W(t)在设定时间点T的值θ(T)、L(T)、W(T)等于0，即三个自由度上的偏差在设定的PLC闭环控制时间点T的值回归到0，得到三个方程，求解即可得到三个未知量Tc、v1c和v2c的值。
进一步地，所述工控机计算得到三个未知量Tc、v1c和v2c的值后，即可的到PLC控制所需的速度控制函数v1(t)和v2(t)，并传输给PLC控制箱，所述PLC控制箱执行履带车左右履带的速度控制函数v1(t)和v2(t)，即可使得中间桁架履带车同步跟随机头架和机尾架履带车。
为了达到上述目的，本发明提供的带式输送机履带底座同步跟随闭环控制方法，包括：
(1)采集中间桁架履带车左右两条履带的速度值，及中间桁架履带车左右两条履带相对于两侧机架履带车的轴向，横向以及角度的偏移量数值；
(2)根据速度值和偏移量值进行计算，形成中间桁架履带车两条履带的速度控制指令；
(3)通过速度控制指令对中间桁架履带车两条履带的速度进行控制；
(4)重复步骤(1)～(3)，对中间桁架履带车左右两条履带的速度值，轴向，横向以及角度的偏移量数值进行循环的实时采集计算，根据每一次计算结果同步对中间桁架履带车的两条履带速度进行闭环控制，直至中间桁架履带车的轴向，横向以及角度的偏移量数值为0为止。
6、根据权利要求5所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制方法，其特征在于，通过速度传感器，位移传感器以及偏角传感器对履带车履带的速度以及轴向，纵向，角度的偏移量进行采集。
7、根据权利要求5所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制方法，其特征在于，通过工控机内部的计算模块计算出中间桁架履带车两条履带的速度控制指令。
本方案提供的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***及方法，其通过PLC闭环控制履带车的运动使其与中间桁架在三个自由度上的偏差重新回到0，提高了履带同步跟随运行的可靠性。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为露天煤矿履带底座式横向移置式输送机的结构示意图；
图2为露天煤矿履带底座式横向移置式输送机的结构俯视图；
图3为本方案中履带底座的结构俯视图；
图4为本方案中PLC闭环控制***的控制流程示意图；
图5为本PLC闭环控制***提供控制逻辑的速度控制函数示意图。
下面为附图中的部件标注说明：
1.机头架 2.中间桁架 3.机尾架 4.铰接结构 5.机头架和机尾架履带车 6.中间桁架履带车
100.第一履带车 200.第二履带车 300.传感*** 400.PLC控制箱 500.工控机。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
针对于现有中间桁架履带车没有同步跟随控制，因而导致中间桁架的弯曲变形，整机运行不稳定的技术问题，基于此技术问题，本方案提供了一种带式输送机同步跟随PLC闭环控制***及方法，其通过PLC闭环控制履带车的运动使其与中间桁架在三个自由度上的偏差重新回到0，并使得中间桁架履带车的速度跟机头架和机尾架履带车最终回归一致，提高了履带同步跟随运行的可靠性和中间桁架的稳定性。
其中，参见图2，露天矿横向自移带式输送机履带车分为两种，机头架和机尾架的第一履带车100和中间桁架的第二履带车200。
第一履带车100跟机头架和机尾架是完全固定的，而第二履带车200与中间桁架有三个自由度，用于释放履带车运行不同步导致的机头架，中间桁架，机尾架之间的相互作用力。
参见图3，第一履带车100与机头架和机尾架是完全固定的，所以，理论连接点即是实际连接点，分别为C1和C2。
第二履带车200与中间桁架的理论连接中心点为C，其与中间桁架的实际连接点为C0，以点C0作为参照点，点C在x、y、zr三个自度上的偏移为L、W和角度θ。
进一步地，参见图4，PLC闭环控制***包括工控机500，PLC控制箱400以及传感***300。
其中，传感***300设置于中间桁架第二履带车200上，并与PLC控制箱400进行信号连接；传感***300包括速度传感器，位移传感器，偏角传感器。
速度传感器分别设置于中间桁架第二履带车200驱动两条履带的变频电机上，用于采集中间桁架第二履带车200两条履带的速度v10和v20。
偏移量L、W由位移传感器进行采集，偏移角度θ由偏角传感器进行采集。
当第二履带车200前进时，位移传感器和偏角传感器对偏移量L、W和角度θ进行数据实时采集，并将采集的偏移量L、W和角度θ传输至PLC控制箱400。
PLC控制箱400接收到L、W和θ后，与所设定的阈值进行对比，当L、W和θ任一数值超出设定值时，PLC控制箱将v10，v20，L、W和θ传输至工控机500，工控机500根据v10，v20，L、W和θ计算出Tv、v1c和v2c的值，将其返回PLC控制箱400，PLC控制箱400获得履带车两条履带的速度控制方程；根据速度控制方程，PLC控制两条履带的速度。
具体的，考虑到在PLC控制第二履带车200左右两条履带的速度v1和v2时，L、W和角度θ是互相影响、耦合在一起的变量，为了能够得到合理的履带速度控制函数，必须建立L、W和角度θ三个自由度上的运动方程，并求解履带车B两条履带的速度控制函数，具体的参见图5，由此得到PLC的控制逻辑。
进一步地，第二履带车200两条履带的初始速度为v10和v20，可由履带上的速度传感器获取，总时间T为初始设定值。并在工控机500内通过L、W和角度θ三个自由度上的运动方程求出Tc、v1c和v2c三个未知量，即可得到履带的速度控制方程，也就得到了PLC在一个闭环内的控制逻辑。
如图5所示，T为初始设定的一个PLC闭环控制时间，为固定值；v10和v20分别为第二履带车200左右履带速度的初始值，该初始值一般由驱动左右两条履带的变频电机的转速获取；v1c和v2c为速度控制过程的转折点，对应的时间点为Tc，确保中间桁架履带车在经过一个PLC闭环控制之后在三个自由度W、L和θ上的偏差为0的同时，速度也要与机头架和机尾架履带车的速度一致。
中间桁架第二履带车200的两条履带速度v1(t)和v2(t)，在给定的控制时间T内由初始值v10和v20，线性地变化为v1c和v2c，此时的时间点为Tc，从时间点Tc到最终时间点T，速度由v1c和v2c变为与机头架和机尾架履带车一致的速度v。
中间桁架履带车的两条履带速度v1(t)和v2(t)均为两条直线方程构成的分段函数。速度传感器获取了v10、v20，已经知悉了中间桁架履带车最终要达到的速度v，确定了一个PLC闭环控制时间T，接下来只需确定Tc、v1c和v2c的值就可以得到速度控制函数v1(t)和v2(t)，由此也就得到了PLC的具体控制逻辑。
v1(t)和v2(t)由两条直线方程构成，如下所示：
Figure BDA0003789838430000061
Figure BDA0003789838430000071
在v1(t)和v2(t)表示的速度控制函数下，利用履带车转向理论可得到履带车的旋转角速度函数：
Figure BDA0003789838430000072
B为第二履带车200左右履带间距，由此进一步得到三个自由度上的偏移函数L(t)，W(t)，θ(t)，
Figure BDA0003789838430000073
Figure BDA0003789838430000074
Figure BDA0003789838430000075
L0、W0和θ0为三个自由度上的偏差初始值，在实际情况中，偏角θ的值很小，为了便于式(8)(9)的积分运算，对sec(θ(τ))和sin(θ(τ))进行泰勒展开后略去二次项和二次以上的项，可以得到：
Figure BDA0003789838430000076
Figure BDA0003789838430000077
将式(1)和(2)代入式(4)(7)(8)，并令θ(t)、L(t)、W(t)在设定时间点T的值θ(T)、L(T)、W(T)等于0(即三个自由度上的偏差在设定的PLC闭环控制时间点T的值回归到0)，得到三个方程，求解即可得到三个未知量Tc、v1c和v2c的值。
得到PLC控制逻辑后，将此逻辑发送给PLC控制箱400，PLC控制箱400根据此逻辑控制履带车的速度。
在两侧第一履带车100以速度v运行时，调节第二履带车200两条履带的速度v1和v2，使得L、W和角度θ变为0，也就是第二履带车200在跟随第一履带车100的同时，还要消除三个自由度上的偏移，实现速度与偏移的同步控制，最终令第二履带车200与第一履带车100的运动状态完全相同。
由上述方案构成的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***及方法其通过PLC闭环控制履带车的运动使其与中间桁架在三个自由度上的偏差重新回到0，提高了履带同步跟随运行的可靠性和中间桁架的稳定性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***，其特征在于，包括传感***，PLC控制箱以及工控机；所述传感***设置于带式输送机中间桁架的履带车，对带式输送机履带车上的两条履带的速度，轴向，纵向和角度的偏移量进行数据采集；所述传感***与PLC控制箱连接，将所采集的数据传输给PLC控制箱；所述PLC控制箱与工控机连接，将数据传输给工控机进行计算后得到控制逻辑；所述工控机与PLC控制箱连接，将得到的控制逻辑发送给PLC控制箱；所述PLC控制箱与带式输送机履带车驱动变频电机连接，根据控制逻辑控制带式输送机履带车的速度。
2.根据权利要求1所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***，其特征在于，所述传感***包括速度传感器，位移传感器以及偏角传感器；所述速度传感器分别设置于中间桁架履带车左右履带的驱动变频电机上；所述位移传感器以及偏角传感器设置于中间桁架的履带车上。
3.根据权利要求1所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***，其特征在于，所述工控机根据带式输送机履带车左右履带的速度以及轴向，纵向和角度三个自由度L，W以及θ上的运动方程计算出Tc、v1c和v2c的值，满足以下方程式：
Figure FDA0003789838420000011
Figure FDA0003789838420000012
其中，T为初始设定的一个PLC闭环控制时间，为固定值；v10和v20分别为履带车左右履带速度的初始值，该初始值一般由驱动左右两条履带的变频电机的转速获取；v1c和v2c为速度控制过程的转折点，对应的时间点为Tc；
在v1(t)和v2(t)表示的速度控制函数下，利用履带车转向理论可得到履带车的旋转角速度函数：
Figure FDA0003789838420000021
B为履带车左右履带间距，由此进一步得到三个自由度上的偏移函数L(t)，W(t)，θ(t)，
Figure FDA0003789838420000022
Figure FDA0003789838420000023
Figure FDA0003789838420000024
L0、W0和θ0为三个自由度上的偏差初始值，在实际情况中，偏角θ的值很小，为了便于式(8)(9)的积分运算，对sec(θ(τ))和sin(θ(τ))进行泰勒展开后略去二次项和二次以上的项，可以得到：
Figure FDA0003789838420000025
Figure FDA0003789838420000026
将式(1)和(2)代入式(4)(7)(8)，并令θ(t)、L(t)、W(t)在设定时间点T的值θ(T)、L(T)、W(T)等于0，即三个自由度上的偏差在设定的PLC闭环控制时间点T的值回归到0，得到三个方程，求解即可得到三个未知量Tc、v1c和v2c的值。
4.根据权利要求3所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制***，其特征在于，所述工控机计算得到三个未知量Tc、v1c和v2c的值后，即可的到PLC控制所需的速度控制函数v1(t)和v2(t)，并传输给PLC控制箱，所述PLC控制箱执行履带车左右履带的速度控制函数v1(t)和v2(t)，即可使得中间桁架履带车同步跟随机头架和机尾架履带车。
5.带式输送机履带底座同步跟随闭环控制方法，其特征在于，包括：
(1)采集中间桁架履带车左右两条履带的速度值，及中间桁架履带车左右两条履带相对于两侧机架履带车的轴向，横向以及角度的偏移量数值；
(2)根据速度值和偏移量值进行计算，形成中间桁架履带车两条履带的速度控制指令；
(3)通过速度控制指令对中间桁架履带车两条履带的速度进行控制；
(4)重复步骤(1)～(3)，对中间桁架履带车左右两条履带的速度值，轴向，横向以及角度的偏移量数值进行循环的实时采集计算，根据每一次计算结果同步对中间桁架履带车的两条履带速度进行闭环控制，直至中间桁架履带车的轴向，横向以及角度的偏移量数值为0为止。
6.根据权利要求5所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制方法，其特征在于，通过速度传感器，位移传感器以及偏角传感器对履带车履带的速度以及轴向，纵向，角度的偏移量进行采集。
7.根据权利要求5所述的带式输送机履带底座同步跟随PLC闭环控制方法，其特征在于，通过工控机内部的计算模块计算出中间桁架履带车两条履带的速度控制指令。
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