Спиральный конвейер с управляемым натяжным устройством
SPIRAL CONVEYOR WITH CONTROLLED TAKE-UP

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится в целом к конвейерам с силовым приводом и, более конкретно, к спиральным конвейерам, в которых конвейерная лента движется по спиральной траектории вокруг вращающейся приводной башни.
Конвейерные ленты часто используются для перемещения предметов, таких как продукты питания и другие материалы, через нагретую или охлажденную окружающую среду. Спиральные конвейеры, в которых лента конвейера движется по спиральной траектории, обвитой вокруг центральной башни, барабана или каркаса, используются в морозильных камерах и печах для обеспечения длинного транспортного пути с небольшой общей площадью в основании.
Некоторые спиральные конвейеры выполнены со спиральными направляющими, закрепленными на центральной невращающейся башне. Конвейерная лента приводится в движение по спиральному направляющему устройству посредством приводного зубчатого барабана, расположенного в единственном месте за пределами спиральной траектории. Максимальное натяжение ленты, которое возникает непосредственно перед ее зацеплением с зубчатым приводным барабаном, может быть достаточно высоким для такой длинной ленты. Для уменьшения максимального натяжения ленты используются спиральные конвейерные «овердрайв-системы». В этих овердрайв-системах конвейерная лента приводится в движение посредством фрикционного контакта между внутренним краем ленты и вращающейся с большей скоростью наружной поверхностью вращающегося барабана, вокруг которого спирально навита лента. Поскольку лента приводится вдоль всей спиральной траектории, максимальное натяжение ленты уменьшается. Но для эффективного фрикционного зацепления между барабаном и краем ленты некоторое натяжение по-прежнему необходимо. Кроме того, фрикционное зацепление вызывает износ края ленты и наружной поверхности барабана. Поскольку большая часть энергии вращения, необходимой для привода барабана, теряется на трение, требования к двигателю и источнику энергии могут быть достаточно высокими. И, поскольку овердрайв-системы чувствительны к трению между наружной поверхностью барабана и внутренним краем ленты, надлежащие настройки натяжения и ускорения варьируются от установки к установке.
Для преодоления некоторых недостатков овердрайв-систем были использованы спиральные системы с принудительным приводом, в которых приводная структура на внешней стороне вращающегося каркаса зацепляет структуру на внутренней стороне конвейерной ленты. Вследствие положительного зацепления между равномерно распределенной приводной структурой на корпусе и равномерно распределенной краевой структурой на внутреннем крае ленты проскальзывание, характерное для овердрайв-систем, отсутствует. Не требуется дополнительного натяжения, и потери на трение меньше. Но одна из проблем спиральных систем с принудительным приводом состоит в точном зацеплении ленты и ее расцеплении с приводной структурой на каркасе. Другая проблема заключается в том, что лента теряет тяговое усилие после выхода за пределы приводного барабана. В известных спиральных конвейерах натяжной ролик или звездочка, расположенная по потоку после барабана, вращается с постоянной скоростью. Если скорости двигателя натяжного устройства и двигателя барабана подобраны так, чтобы обеспечить сохранение постоянной скорости, проблем в процессе эксплуатации не будет. Но изменения температуры ленты, например, при применении в морозильных или расстоечных камерах, приводят к сжатию и растяжению ленты, что сказывается на тайминге выхода ленты из барабана и ее принятия натяжным устройством. Когда скорости двигателя барабана и двигателя натяжного устройства фиксированы, натяжное устройство не может приспособиться к изменениям тайминга и либо будет натягивать ленту слишком сильно, либо недостаточно.
РЕЗЮМЕ
Способ, воплощающий отличительные признаки настоящего изобретения, для управления натяжением в разгрузочной секции спирально-ленточной конвейерной системы содержит: (а) приведение в движение конвейерной ленты вдоль спиральной траектории от входа к выходу на приводном барабане спирального конвейера, вращаемого со скоростью барабана; (б) приведение в движение конвейерной ленты при помощи приводного вала с приводом от двигателя натяжного устройства, в том числе в разгрузочной секции траектории конвейерной ленты ниже по потоку от выхода из приводного барабана; (в) определение натяжения конвейерной ленты в разгрузочной секции; (г) контроль скорости двигателя натяжного устройства в режиме управления замкнутого контура для регулировки скорости двигателя натяжного устройства с целью поддержания постоянного натяжения конвейерной ленты в разгрузочной секции; (д) определение скорости двигателя натяжного устройства; и (е) переключение из режима управления замкнутого контура к режиму управления разомкнутого контура, который обеспечивает работу натяжного двигателя на пониженной скорости при падении определенной скорости натяжного двигателя ниже заданного уровня критической скорости.
В другом аспекте настоящего изобретения один вариант спирального конвейера, воплощающего отличительные признаки настоящего изобретения, содержит цилиндрический приводной барабан с вертикальной осью вращения и элементами привода, разнесенными по его периферии. Первый электродвигатель, соединенный с приводным барабаном, вращает приводной барабан вокруг его оси вращения со скоростью барабана. Конвейерная лента имеет внутренний край с элементами для приема привода, находящимися в принудительном зацеплении с элементами привода. Конвейерная лента предназначена для передвижения по спиральной траектории вверх или вниз вокруг приводного барабана от входа к выходу. Натяжной механизм, который включает в себя приводной вал и второй мотор, работающий с приемной скоростью и приводящий в движение приводной вал, входит в зацепление с конвейерной лентой и приводит ее в движение в разгрузочной секции ниже по потоку от выхода. Датчик измеряет рабочую переменную индикатора спирального конвейера для натяжения конвейерной ленты в разгрузочной секции и генерирует сигнал обратной связи. Система управления, соединенная со вторым двигателем, получает сигнал обратной связи и генерирует сигнал скорости приема ленты для регулировки скорости второго двигателя в зависимости от сигнала обратной связи при работе в режиме управления замкнутого контура для поддержания постоянного натяжения конвейерной ленты в разгрузочной секции.
В еще одном аспекте настоящего изобретения другой вариант спирального конвейера, воплощающего отличительные признаки настоящего изобретения, содержит цилиндрический приводной барабан, имеющий вертикальную ось вращения. Первый двигатель соединен с приводным барабаном, чтобы вращать приводной барабан вокруг его оси вращения со скоростью барабана. Лента конвейера предназначена для передвижения по спиральной траектории вверх или вниз вокруг приводного барабана от входа к выходу. Натяжной механизм входит в зацепление с конвейерной лентой и приводит ее в движение в разгрузочной секции ниже по потоку от выхода и включает в себя приводной вал и второй двигатель, работающий с приемной скоростью и приводящий в движение приводной вал. Средства обнаружения критического состояния обнаруживают критическое состояние второго двигателя. Средства переключения переключают управление скоростью второго двигателя из режима управления замкнутого контура в режим управления разомкнутого контура с постоянной скоростью, когда средства обнаружения критического состояния обнаруживают критическое состояние.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти отличительные признаки изобретения, а также его преимущества лучше понятны с обращением к нижеследующему описанию, прилагаемой формуле изобретения и прилагаемым чертежам, на которых:
на фиг. 1 схематически изображен вид сбоку спиральной конвейерной системы с прямым приводом, воплощающей отличительные признаки настоящего изобретения;
на фиг. 2 показана блок-схема системы управления для спирального конвейера по фиг. 1;
на фиг. 3 представлена функциональная схема процедуры переключения режимов управления, выполняемой контроллером в системе управления по фиг. 2;
на фиг. 4 представлена диаграмма синхронизации скорости двигателя барабана, входного сигнала скорости натяжного двигателя и крутящего момента на приводном валу, иллюстрирующая работу системы управления по фиг. 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Спиральный конвейер схематически показан на фиг. 1. Спиральный конвейер включает в себя приводной барабан 10 в виде цилиндрического барабана или каркаса, который приводится во вращение вокруг вертикальной оси вращения 12. Вращающийся барабан имеет множество параллельных, как правило, вертикальных приводных элементов 14, разнесенных регулярно по его периферии 16. Каждый приводной элемент протянут в длину между низом 18 и верхом 19 барабана. Конвейерная лента 20 перемещается по многоуровневой спиралеобразной траектории вокруг барабана от входа 17 к выходу 17'. Эта траектория определяется спиральной направляющей пробега ленты или направляющей пробега ленты внизу и штабелер-пластинами, установленными на ленте. Элементы для приема привода на внутреннем крае ленты входят в принудительное зацепление с приводными элементами, что приводит ленту в движение вверх или вниз по барабану при его вращении. В данном примере лента приведена в движение вниз по барабану. Барабан 10 установлен внизу 18 барабана на основании 24 и приводится во вращение электродвигателем 21. Лента движется вокруг различных натяжных, вспомогательных неприводных и подающих зубчатых барабанов 22 при прохождении пути от выхода 17' в верхней части барабана обратно ко входу 17 в нижней части. Натяжные звездочки 22', установленные на приводном валу 15, входят в зацепление с лентой в разгрузочной секции 25 траектории ленты вниз по потоку непосредственно после выхода ленты 17' из спирального участка траектории. Один пример такой спиральной конвейерной системы раскрыт в международной публикации № WO 2012/009222 А1 "Спиральный конвейер с принудительным приводом и лента", опубликованной 19 января 2012, которая включена в данную заявку в виде ссылки.
Поскольку конвейерная лента 20 находится в принудительном зацеплении и приводится в движение приводным барабаном 10, скорости барабана и натяжного механизма, включающего в себя натяжной приводной вал 15, звездочки 22' и двигатель 23, должны быть согласованы или синхронизированы. Если натяжной двигатель работает слишком быстро, он будет пытаться тянуть ленту из барабана быстрее, чем барабан может ее подавать. Это может привести к тому, что звездочки будут проскакивать, и привести к повреждению ленты и зубьев звездочек. Если натяжной двигатель работает слишком медленно, лента 20 будет становиться слабонатянутой в разгрузочной секции 25 ниже по потоку от выхода ленты из барабана 10 и начнет складываться. Во избежание этих проблем во время нормальной работы натяжной приводной двигатель 23 эксплуатируют в режиме управления замкнутого контура, таком как режим управления замкнутого контура с постоянным вращающим моментом.
Блок-схема системы управления для натяжного двигателя 23 показана на фиг. 2. Иллюстративная система управления включает в себя программируемый логический контроллер (ПЛК) 28 или другое программируемое устройство и контроллер двигателя 30, например частотно-регулируемый привод. Контроллер 28 посылает сигнал 32 скорости приема ленты к контроллеру 30 двигателя, который контролирует скорость натяжного двигателя 23 через линию управления 34. Моментный рычаг 36 прикреплен одним концом к приводному валу 15, что также показано на фиг. 1. Дистальный конец моментного рычага прикреплен к датчику нагрузки 38. Датчик нагрузки прикреплен также к стационарной точке 40. При увеличении вращающего момента приводного вала 15 моментный рычаг 36 поворачивается по часовой стрелке вокруг его соединения с валом. Датчик нагрузки 38 генерирует сигнал 42 обратной связи по крутящему моменту, который направляется на контроллер 28. Таким образом, датчик нагрузки служит датчиком крутящего момента, измеряющим крутящий момент натяжного приводного вала 15, который является индикатором натяжения ленты в разгрузочной секции 25. Еще одним способом определения крутящего момента является его оценка на основании измерения тока натяжного двигателя. И, вместо или в дополнение к измерению крутящего момента, система управления может использовать датчик натяжения 43, измеряющий натяжение конвейерной ленты 20 в разгрузочной секции 25. Датчик натяжения 43 может быть датчиком, установленным в самой конвейерной ленте и посылающим сигнал обратной связи 45 по натяжению на контроллер 28, или, например, датчиком нагрузки, расположенным под лентой в слегка приподнятом несущем профиле для распознавания натяжения ленты при помощи направленной вниз силы, действующей на профиль со стороны ленты. Таким образом, датчик, будь то датчик крутящего момента или датчик натяжения, измеряет рабочую переменную спирального конвейера, которая является индикатором натяжения конвейерной ленты 20 в разгрузочной секции 25.
Контроллер 28 запрограммирован для запуска процедуры программного управления, которая сравнивает сигнал 42 обратной связи по крутящему моменту с предопределенным (задаваемым оператором или эмпирически установленным) заданным значением крутящего момента. (Если сигнал обратной связи является измеренным значением натяжения, сигнал обратной связи 45 по натяжению сравнивают с заданным значением натяжения.) Разница между этими двумя величинами представляет собой сигнал ошибки (рассогласования) контроллера, который в контроллере используется для вычисления сигнала приемной скорости 32. Управляющая программа может быть, например, пропорционально-интегро-дифференцирующим (ПИД) регулятором. Пропорциональные, интегральные и дифференциальные параметры управления коэффициентом усиления могут быть определены эмпирически или выбраны вручную. Поскольку сигнал ошибки представляет собой разность между измеренным значением крутящего момента и заданным значением крутящего момента, контроллер регулирует скорость натяжного электродвигателя 23 для поддержания постоянного крутящего момента на приводном валу 15 или постоянного натяжения конвейерной ленты в разгрузочной зоне. В этом рабочем режиме управления замкнутого контура скорость натяжного двигателя регулируется динамически в целях учета растяжения и сжатия ленты и других эффектов, которые не могут быть преодолены при работе двигателя на постоянной скорости.
В некоторых применениях, например в морозильных камерах, переносимые продукты питания могут примерзать к транспортирующей поверхности конвейерной ленты. На фиг. 1 показан скребок 26, расположенный на ленте 20 в месте, где она огибает принимающий зубчатый барабан 22'. Скребок соскребает с ленты лед и замороженные продукты. В некоторых случаях лед и замороженные материалы могут застревать между скребком 26 и лентой 20. При этим происходит заклинивание ленты, вызывающее остановку натяжного двигателя 23, и лента, подаваемая от барабана 10, начинает складываться.
Для решения проблем, связанных с критическим состоянием натяжного двигателя 23, контроллер обеспечивает средства переключения, которые производят переключение из рабочего режима управления замкнутого контура в режим управления разомкнутого контура с постоянной скоростью. Режим работы с разомкнутым контуром может быть установлен сохраняющимся в течение определенного (устанавливаемого оператором или эмпирически определенного) периода времени или до устранения заклинивания ленты. Обнаружение ослабления давления на скребок, значительного уменьшения тока двигателя или мощности или крутящего момента на приводном валу или визуальное определение факта удаления застрявшего материала из скребка являются другими способами обеспечения контроллера сигналами, указывающими, что заклинивание ленты устранено и двигатель более не заглушен, так что управление замкнутого контура может быть возобновлено. Контроллер определяет скорость натяжного двигателя непосредственно по данным тахометра или аналогово-цифрового преобразователя на валу двигателя или косвенно - по сигналу скорости, вычисленному программой управления. Когда приемная скорость падает ниже заданного (устанавливаемого оператором или эмпирически определенного) критического значения скорости или измеряемое значение крутящего момента быстро возрастает, выходя за пределы стандартного уровня крутящего момента (оба примера - это средства обнаружения критического состояния), производится переключение от режима замкнутого цикла к режиму разомкнутого цикла, и контроллер посылает сигнал пониженной приемной скорости на контроллер 30 двигателя. Сигнал пониженной скорости сохраняется в течение предопределенного периода времени или до указания об устранении заклинивания. Затем контроллер 28 переходит обратно в режим управления замкнутого контура.
Как показано на фиг. 2, контроллер получает сигнал 44 скорости барабана от двигателя барабана или контроллера его скорости. По скорости барабана контроллер 28 вычисляет номинальную приемную скорость, которая представляет собой приемную скорость, которая согласуется со скоростью барабана в отсутствии нагрузки, температурных или других факторов, которые обычно влияют на временное согласование между барабаном и натяжным механизмом. Например, номинальная скорость может быть определенной эмпирически или может быть средней скоростью во время обычной работы в режиме замкнутого контура. Критическая скорость, при которой контроллер производит переключение из режима замкнутого контура в режим разомкнутого контура, может быть установлена, например, как процент (например, 10%) от номинальной приемной скорости. Подобным образом настройка пониженной скорости для работы в режиме разомкнутого цикла с постоянной скоростью может быть установлена, например, как процент (например, 80%) от номинальной приемной скорости.
d
t
j1
t
Работа контроллера во время заклинивания иллюстрируется при помощи временных диаграмм на фиг. 4 и функциональной схемой иллюстративного варианта процедуры переключения режимов управления на фиг. 3. Как показано на фиг. 4, скорость барабана (V, верхний график) сохраняется в течение всего времени постоянной. На среднем графике показан управляющий сигнал приемной скорости V на линии 34 управления при работе контроллера в режиме управления замкнутого контура, в качестве примера - контроллера постоянного крутящего момента. Вначале уровень сигнала постоянный, соответствующий номинальной приемной скорости 46. Пока натяжной двигатель работает с номинальной приемной скоростью, крутящий момент (Т, нижний график) также является постоянным благодаря режиму управления замкнутого контура с постоянным крутящим моментом. Когда в момент времени t начинает происходить заклинивание, контроллер уменьшает приемную скорость V, чтобы противостоять быстрому нарастанию крутящего момента Т на приводном валу. Программа переключения режимов управления, изображенная на фиг. 3, которую контроллер 28 периодически запускает, сначала, на этапе 60, определяет, сработал ли таймер разомкнутого контура, чтобы указать конец предопределенного периода работы в режиме разомкнутого контура. Программа проверяет статус флага таймера разомкнутого контура, который первоначально установлен при запуске. Если таймер разомкнутого контура не работает, подпрограмма на этапе 62 вычисляет номинальную приемную скорость как функцию скорости барабана. Затем на шаге 64 подпрограмма сравнивает фактическую приемную скорость с уровнем критической скорости (некий процент от номинальной приемной скорости). Если фактическая скорость превышает критическую скорость, контроллер работает в режиме управления замкнутого контура с постоянным крутящим моментом. Сначала подпрограмма запускает таймер критического состояния и очищает флаг таймера критического состояния на шаге 66. Флаг таймера критического состояния первоначально очищен при запуске. Поскольку таймер критического состояния перезапускается каждый раз, когда фактическая скорость превышает критическую скорость, его таймаут никогда не произойдет до тех пор, пока фактическая скорость остается выше критической скорости. Затем на этапе 68 процедура запускает ПИД-регулятор с постоянным моментом (или другую процедуру управления). Программа управления вычисляет обновленную приемную скорость на основании измеренного значения крутящего момента и заданного значения крутящего момента. Наконец, на этапе 70, обновленная приемная скорость отправляется на контроллер двигателя в виде сигнала приемной скорости. При следующем запуске процедуры, если фактическая приемная скорость меньше уровня критической скорости, процедура сначала на шаге 72 проверяет флаг таймера критического состояния, чтобы увидеть, закончился ли отсчет времени таймера критического состояния, который был инициализирован с очисткой флага таймера критического состояния в последний раз, когда фактическая скорость превысила критическую скорость. Если отсчет времени не закончился (флаг таймера критического состояния все еще очищен), что указывает на то, что критическое состояние не сохранялось достаточно долго, программа выполняет ПИД-процедуру управления в режиме замкнутого контура снова. Если двигатель на самом деле остановлен, ПИД-регулятор продолжает понижать приемную скорость до нуля. Если приемная скорость остается ниже уровня критической скорости, со временем таймер критического состояния завершает отсчет времени, и процедура запускает таймер разомкнутого контура и очищает флаг таймера разомкнутого контура на шаге 76, что указывает на начало режима управления разомкнутого контура. На шаге 78 приемная скорость установлена на уровне постоянной пониженной скорости, т.е. процента от номинальной приемной скорости. Пониженная приемная скорость отправляется на контроллер двигателя в виде сигнала приемной скорости на этапе 70. При следующем запуске процедуры отсчет времени таймера разомкнутого цикла еще не будет закончен, и контроллер посылает тот же сигнал пониженного приема на контроллер двигателя. Работа в режиме разомкнутого контура продолжается до истечения времени таймера разомкнутого контура, и нормальная работа возобновляется на шаге 60. Таким образом, контроллер 28, производящий процедуру переключения режимов управления, включает в себя средства обнаружения критического состояния для обнаружения критического состояния натяжного двигателя и средства переключения для переключения между режимами управления двигателем с замкнутым и разомкнутым контуром. В этом примере таймеры режима разомкнутого контура и критического состояния выполняются подпрограммами таймеров, которые декрементируют таймеры через регулярные промежутки времени и устанавливают флаги таймаута, то есть флаги таймаута таймеров разомкнутого контура и критического состояния, например, когда завершается отсчет времени таймеров. Эти флаги указывают двум блокам 60 и 72 принятия решений, истекло ли время таймеров. В одном альтернативном варианте осуществления таймеры могли бы быть внутренними по отношению к процедуре переключения режимов управления, так как эта процедура выполняется через регулярные промежутки времени. В этом случае таймер критического состояния мог бы декрементироваться процедурой переключения каждый раз, когда текущая приемная скорость меньше, чем критическая скорость, а таймер разомкнутого контура мог бы декрементироваться каждый раз, когда время таймера разомкнутого контура не истекло.
j1
о1
tr
o2
j2
tr
Временные зависимости сигналов на фиг. 4 иллюстрируют работу процедуры переключения режимов управления. После начала заклинивания в момент времени t отсчет времени таймера критического состояния со временем завершается и в момент t начинается управление разомкнутого контура. Натяжной двигатель работает в режиме разомкнутого контура на пониженной приемной скорости V в течение периода времени согласно таймеру режима разомкнутого контура, который истекает в момент t. Затем возобновляется режим управления замкнутого контура с постоянным крутящим моментом. Приемная скорость сначала возрастает для того, чтобы выбрать накопленное ослабление ленты, и, наконец, начинает устанавливаться, когда в момент t случается второе заклинивание. Процедура переключения режимов управления работает так же, как для первого заклинивания. В конце концов, управление замкнутого контура с постоянным крутящим моментом справляется с проблемой и выводит скорость приемного двигателя на номинальное значение приемной скорости V. (Заштрихованные области на среднем графике указывают режим управления с разомкнутым контуром; во всех других случаях контур управления замкнут.)
Хотя изобретение было описано со ссылкой на иллюстративный вариант, возможны и другие варианты. Например, натяжной двигатель может быть реализован как любой вид электродвигателя, скорость которого может быть изменена при помощи или без помощи частотно-регулируемого привода. В качестве другого примера, контроллер с переключением режимов управления может работать со слабонатянутыми спиральными овердрайв-системами или спиралями штабелера, а также со спиралями с принудительным приводом, описанными в качестве примера.