帶式輸送機(jī)節(jié)能控制策略的設(shè)計(jì)

竇 穎

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司教育中心， 山西 太原 030053）

引言

目前，應(yīng)用于綜采工作面的帶式輸送機(jī)存在能耗過(guò)大、事故頻發(fā)的現(xiàn)象，為此帶式輸送機(jī)的節(jié)能性能及其安全系數(shù)是確保綜采工作面高效生產(chǎn)及節(jié)能生產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。目前，帶式輸送機(jī)在工作面是以恒定帶速所運(yùn)行的，而該速度是以最大載重量所設(shè)計(jì)的。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中帶式輸送機(jī)并不是時(shí)刻以滿載狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)若仍采用上述策略即會(huì)造成電能的浪費(fèi)，還會(huì)加劇帶式輸送機(jī)等部件的磨損。為解決上述問(wèn)題，需提出一套全新的帶式輸送機(jī)控制策略，已達(dá)到節(jié)能減排的目的，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面的綠色、高效、安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制思路

就帶式輸送機(jī)的節(jié)能而言，一般從采用減少系統(tǒng)功耗和提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率兩個(gè)方面著手實(shí)施。其中，減少系統(tǒng)功耗需通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)、減少設(shè)備的投入量以及減少設(shè)備運(yùn)行期間的阻力實(shí)現(xiàn)；提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率可通過(guò)采用高效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及其他高效能設(shè)備實(shí)現(xiàn)。上述兩項(xiàng)措施在優(yōu)化改造時(shí)成本較高，而且其節(jié)能效果受所選用設(shè)備的性能所決定，并不是最有效的節(jié)能思路。

針對(duì)當(dāng)前帶式輸送機(jī)在綜采工作面的運(yùn)行狀態(tài)，以最大載荷下的恒定速度運(yùn)行。當(dāng)帶式輸送機(jī)未達(dá)到滿載要求時(shí)將會(huì)造成電能的浪費(fèi)。為解決上述“大馬拉小車(chē)”的問(wèn)題，需要求帶式輸送機(jī)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整其運(yùn)行速度，達(dá)到速度與載荷相匹配的狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目的[2]。因此，將變頻調(diào)速的控制思路應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制中，以最低成本達(dá)到最佳節(jié)能效果。

2 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速理論基礎(chǔ)

目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對(duì)頻繁且應(yīng)用范圍相對(duì)廣泛，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速、過(guò)載保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能[4]。變頻調(diào)速原理如公式（1）所示：

式中：n為提升機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為提升機(jī)電機(jī)的頻率；s為提升機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p為提升機(jī)電機(jī)的極數(shù)。由公式（1）可知，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的頻率可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。

帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)在于系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)帶式輸送機(jī)所運(yùn)送物料的狀態(tài)及帶式輸送機(jī)的溫度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，并將上述所采集的數(shù)據(jù)上傳于PLC和上位機(jī)中，通過(guò)對(duì)上述參數(shù)的對(duì)比分析對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)帶速的控制。

3 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制策略的設(shè)計(jì)

3.1 帶式輸送機(jī)能耗原因分析

在綜采工作面的實(shí)際生產(chǎn)中，為了確保整個(gè)工作面生產(chǎn)的安全性，采用逆煤流的方式啟動(dòng)綜采工作面的各個(gè)設(shè)備，即先啟動(dòng)主帶式輸送機(jī)，然后啟動(dòng)順槽皮帶機(jī)，最后啟動(dòng)采煤機(jī)。也就是說(shuō)，在采煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)帶式輸送機(jī)以空載的狀態(tài)運(yùn)行，而運(yùn)行速度為最大載重的運(yùn)行速度，從而造成了電能的浪費(fèi)[3]。

此外，針對(duì)配有煤倉(cāng)的煤礦帶式輸送機(jī)的帶速還需根據(jù)煤倉(cāng)中煤炭?jī)?chǔ)量及變化率等參數(shù)進(jìn)行控制。

3.2 節(jié)能控制方法的選取

目前，應(yīng)用于工業(yè)中最為廣泛的控制方法包括有PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等。其中，PID主要控制線性控制系統(tǒng)，而模糊控制主要針對(duì)非線性控制系統(tǒng)。綜合分析PID控制和模糊PID控制的理論基礎(chǔ)，綜合考慮綜采工作面環(huán)境惡劣等因素，本文中的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制方法采用模糊控制。

3.3 模糊控制策略的設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制的依據(jù)包括有帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)載重量、煤礦煤倉(cāng)煤炭?jī)?chǔ)量、帶式輸送機(jī)載重變化率以及給煤量變化率[4]。因此，依據(jù)如表1所示的模糊控制思路對(duì)不同輸入、輸出量下的模糊控制規(guī)則進(jìn)行設(shè)定。

表1 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)思路

基于上表得出不同皮帶載重量、煤倉(cāng)煤位的下皮帶輸送機(jī)的實(shí)時(shí)帶速。帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)依據(jù)不同帶速下的電壓和頻率對(duì)輸送帶的速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制的目的[5]。

4 節(jié)能控制效果的驗(yàn)證

將上述節(jié)能控制策略應(yīng)用于某礦帶式輸送機(jī)的控制。該礦帶式輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 帶式輸送機(jī)參數(shù)

帶式輸送機(jī)每天運(yùn)行時(shí)間為20 h，每年運(yùn)行天數(shù)為300 d?；诠?jié)能控制策略下帶式輸送機(jī)不同載重下運(yùn)行時(shí)間如表3所示。

表3中：M為帶式輸送機(jī)滿載時(shí)的運(yùn)量；vm為帶式輸送機(jī)的最大運(yùn)行速度。帶式輸送機(jī)每天可節(jié)約電能為：195×20-（2×5/6+3×2/3+4×1/2+4×1/3+3×1/6+4×1/6）×195=2301kW·h。則每年所節(jié)約的電費(fèi)為：2301kW·h/d×300d×0.5元/kW·h=345150元。

表3 帶式輸送機(jī)工作情況

5 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，為倡導(dǎo)當(dāng)前“綠色生產(chǎn)”的理念，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能生產(chǎn)，充分考慮改造成本和節(jié)能效果的綜合因素下，采用變頻調(diào)速的控制理念應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的控制中，并經(jīng)試驗(yàn)應(yīng)用取得較好的節(jié)能效果。因此，可將變頻調(diào)速的思路應(yīng)用于綜采工作面的其他設(shè)備的節(jié)能控制中，從真正意義上實(shí)現(xiàn)綜采工作面的節(jié)能改造。