基于順煤流節(jié)能的優(yōu)化控制研究

高立斌

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井， 山西 晉城 048019)

1 前言

上料前一次性啟動(dòng)所有輸送設(shè)備的運(yùn)輸方式無形中帶來了一定的資源空置，若按照輸送煤料的方向順序啟動(dòng)設(shè)備不僅能夠有效地縮短空載時(shí)間，降低無功能耗，也能夠有效地減低設(shè)備損耗[1-2]。

2 順煤流節(jié)能控制原理

帶式輸送機(jī)的速度控制是通過預(yù)測(cè)相應(yīng)的膠帶容量匹配速度，然后通過交流電機(jī)變頻調(diào)節(jié)帶速，合理設(shè)置最小加速度時(shí)間以提高整個(gè)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的能效。而通常的煤料輸送系統(tǒng)運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)由于輸送機(jī)運(yùn)行參量設(shè)置不合理導(dǎo)致的能效低下的現(xiàn)象。

因此，通過膠帶速度與輸送帶容量的優(yōu)化匹配，最大限度地提高輸送帶材料的橫截面積，這就是對(duì)輸送帶速度的控制。

當(dāng)運(yùn)量確定時(shí)，只考慮主要因素，系統(tǒng)所需功率和輸送速度是線型關(guān)系。如果帶式輸送機(jī)的速度較小時(shí)，可以降低帶式輸送機(jī)的功耗，從而滿足節(jié)能降耗的要求。最大速度的傳送帶可以調(diào)節(jié)材料的橫截面積,如果繼續(xù)減少帶速,從而達(dá)到最大橫截面積的帶式輸送機(jī)皮帶材料速度最低的速度，以獲得最佳的輸送速度。進(jìn)一步地?fù)Q算到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工況，就能夠準(zhǔn)確地確定煤流輸送中的最優(yōu)控制點(diǎn)。

3 節(jié)能總體設(shè)計(jì)

由于煤炭生產(chǎn)的特殊情況，帶式輸送機(jī)長時(shí)間不能滿載。有時(shí)空載時(shí)，輸送機(jī)帶速恒定負(fù)載遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。帶式輸送機(jī)一直在非最佳點(diǎn)運(yùn)行，不僅浪費(fèi)資源而且可能影響電機(jī)的性能和壽命[3]。另外，傳統(tǒng)的多級(jí)帶式輸送機(jī)是根據(jù)煤的反向流動(dòng)模式依次啟動(dòng)的，這大大增加了空載運(yùn)行時(shí)間[4]。鑒于此，基于多級(jí)帶式輸送機(jī)速度控制的節(jié)能技術(shù)有助于改善這一狀況，具體節(jié)能控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制的結(jié)構(gòu)框圖

首先在輸煤系統(tǒng)實(shí)際啟動(dòng)前，通過激光掃描獲得實(shí)時(shí)輸送值，并將流量值的信號(hào)發(fā)送給控制器，實(shí)現(xiàn)帶速度流量的實(shí)時(shí)匹配，以建立控制器控制程序中皮帶速度與流量的梯形匹配模型。最終，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度在變化中和輸送流量相匹配，以保證帶速最低，實(shí)現(xiàn)最好的節(jié)能效果[5]。具體通過由編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)帶式輸送機(jī)速度，并將速度信號(hào)送給控制器。

同時(shí)，將帶速控制在每個(gè)穩(wěn)定階段設(shè)定的皮帶速度，以避免發(fā)生溢流。帶式輸送機(jī)的速度控制產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)，提高控制精度[6]。在調(diào)整速度的過程會(huì)涉及所有的啟動(dòng)、穩(wěn)定、停止等階段，以檢測(cè)速度的變化，并確保它大于皮帶的速度，以防各種各樣的問題。當(dāng)帶式輸送機(jī)上皮帶變軟時(shí)，為軟啟動(dòng)階段，該階段不管是否會(huì)達(dá)到帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的速度大小。

對(duì)于不同的運(yùn)輸方式，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度與運(yùn)量相匹配，滿足煤料輸送的要求。當(dāng)多級(jí)帶式輸送機(jī)采用分流煤流的起動(dòng)方式時(shí)，在帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)階段消除了帶式輸送機(jī)的空載運(yùn)行，從而節(jié)省了大量的電能。以多級(jí)流速控制的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)方式能夠節(jié)能，降低煤炭輸送能耗并提高帶式輸送機(jī)工作效率。

4 順煤流節(jié)能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

如圖2所示為常見的煤料輸送系統(tǒng)的運(yùn)行圖。根據(jù)從左到右的運(yùn)輸方向，各層帶式輸送機(jī)依次定義為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。從左手邊帶式輸送機(jī)起，在帶的末端設(shè)置檢測(cè)區(qū)域并安裝的激光掃描儀，通過控制箱，計(jì)入帶式輸送機(jī)的流量Qx。

圖2 簡化煤流輸送系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際輸煤情況，1號(hào)帶式輸送機(jī)以標(biāo)稱速度運(yùn)行，輸送距離為L0。2～4號(hào)輸送機(jī)可由相同的頻率控制，當(dāng)輸送距離相同時(shí)其運(yùn)行的參量與1號(hào)設(shè)備的參量有所差異。因此，對(duì)節(jié)能控制技術(shù)的研究僅針對(duì)2～4號(hào)帶式輸送機(jī)，而1號(hào)帶式輸送機(jī)用于獲得輸送帶的實(shí)時(shí)值。

5 節(jié)能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

5.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)能優(yōu)化控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要以PLC為控制單元，信號(hào)通過人機(jī)界面輸入、控制器處理、變頻器、電機(jī)轉(zhuǎn)換最后控制電機(jī)改變運(yùn)行狀態(tài)。控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖3 節(jié)能優(yōu)化控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)

本文所涉及的系統(tǒng)調(diào)速范圍約定在1.5m/s以下，由變頻器控制實(shí)現(xiàn)從0m/s到1.5m/s間隔為0.5m/s的多級(jí)調(diào)速。涉及變頻器設(shè)置包括主頻源、最大輸出功率設(shè)置、多功能輸入端設(shè)置和多指令選擇等。然后，正確地連接轉(zhuǎn)換器端口和相應(yīng)的控制器輸出接口。最后控制器編程完成數(shù)據(jù)計(jì)算，并由觸摸屏顯示圖形。

圖4 順煤流節(jié)能控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)

在設(shè)置變頻器參數(shù)過程中，本文以輸送機(jī)的“S”形速度曲線進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)見表1。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置表

5.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在編程中，要充分滿足實(shí)際要求，首先要從實(shí)際工作條件出發(fā)，統(tǒng)計(jì)需要控制器來控制輸入和輸出點(diǎn)及其各自的類別(數(shù)字或模擬)，并給出相應(yīng)的地址，編寫符號(hào)表。之后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)和控制要求，查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，確定具體有效的實(shí)施方案。其次根據(jù)制定好的實(shí)施計(jì)劃，完成控制流程圖的編制。

此外,采用M測(cè)速方法(單位時(shí)間輸出脈沖編碼器的數(shù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的計(jì)算過程,得到被測(cè)物體的速度)測(cè)試帶式輸送機(jī)的速度。具體方法:通過對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行的計(jì)數(shù)完成中斷、定時(shí)的功能實(shí)現(xiàn)，并據(jù)此得到單位時(shí)間的數(shù)量。

在本實(shí)驗(yàn)中采用編碼器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，高速計(jì)數(shù)器對(duì)帶式輸送機(jī)的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)間再次到達(dá)時(shí)，使用其設(shè)置完成相應(yīng)的中斷事件調(diào)度操作。

之后按照創(chuàng)建—編寫—模擬—下載的程序完成觸摸屏展開人機(jī)交互界面與控制器的連接與測(cè)試工作。

6 節(jié)能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在本實(shí)驗(yàn)中，以[1,1.5](m/s)為調(diào)速域，采用控制器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)瞬時(shí)加速時(shí)間的控制。在瞬時(shí)速度過程中，當(dāng)帶式輸送機(jī)的速度v=1.0m/s時(shí)，磁帶速度、電機(jī)三相電流和溫度測(cè)量的屏幕圖像大小如圖5所示。

圖5 速度v=1.0m/s帶速&電流&溫升數(shù)據(jù)

在瞬時(shí)加速過程中，當(dāng)帶式輸送機(jī)v的速度為1.5m/s時(shí)，通過比較圖5中電機(jī)的三相電流和溫度變化。在加速過程中，電機(jī)三相電流在額定電流5A附近變化，電機(jī)溫升正常。因此，在帶式輸送機(jī)瞬時(shí)加速過程中設(shè)定的最小加速度時(shí)間符合實(shí)驗(yàn)要求。

當(dāng)帶式輸送機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，功耗也會(huì)相應(yīng)地降低。此外，在帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過程中，當(dāng)帶式輸送機(jī)調(diào)整到最小值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，包括輸送帶與上下托輥、輥?zhàn)?、托輥和輥?zhàn)颖旧淼倪\(yùn)行磨損等。但加速速度，操作設(shè)備之間的磨損時(shí)間會(huì)相應(yīng)減少。因此，設(shè)定最小的加速度時(shí)間有利于實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

7 結(jié)論

結(jié)合生產(chǎn)過程輸送環(huán)節(jié)出現(xiàn)的實(shí)際問題，首先介紹了順煤流輸送煤炭的原理和優(yōu)點(diǎn)，并以簡單的多級(jí)輸送模型為基礎(chǔ)明確了采用順煤流輸送所需要設(shè)定工藝參量。從信息流的角度明確了信號(hào)通過人機(jī)界面輸入、控制器處理、變頻器、電機(jī)轉(zhuǎn)換最后控制電機(jī)改變運(yùn)行狀態(tài)，并按照創(chuàng)建—編寫—模擬—下載完成的觸摸屏展開人機(jī)交互界面與控制器的連接與測(cè)試工作。此外，本文所涉及的系統(tǒng)調(diào)速范圍約定在1.5m/s以下，由變頻器控制實(shí)現(xiàn)從0m/s到1.5m/s間隔為0.5m/s的多級(jí)調(diào)速。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，設(shè)備的最小加速度時(shí)間合理。