帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙云平

（西山煤電集團有限責(zé)任公司官地煤礦運輸區(qū)， 山西 太原 032200）

引言

帶式輸送機在煤炭行業(yè)占有極其重要的地位，能廣泛應(yīng)用于煤礦井下煤料的運輸中，在綜采工作面、短壁開采工作面都發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的帶式輸送機控制系統(tǒng)采用簡單的開環(huán)控制，不考慮重載、輕載、空載情況，始終以額定帶速運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致帶式輸送機消耗電能巨大、機械磨損嚴(yán)重、生產(chǎn)成本增加、生產(chǎn)效率下降[1]。國外對帶式輸送機控制系統(tǒng)的研究較早，其運行性能、可靠性、自動化程度較高，如采用在線監(jiān)測、實時分析、多機驅(qū)動以及功率平衡算法等技術(shù)，保證帶式輸送機的運行性能。國內(nèi)對帶式輸送機控制系統(tǒng)的研究較晚，在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，在基于帶式輸送機的軟啟動、變頻控制、功率平衡以及動態(tài)分析與監(jiān)測等方面取得了一些成果并應(yīng)用生產(chǎn)實踐[2-4]。為降低帶式輸送機耗電，研究并設(shè)計基于模糊控制的帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)，在保證其運行安全、穩(wěn)定、連續(xù)的情況下，達到節(jié)能降耗的目的。

1 節(jié)能原理分析

帶式輸送機運行時，影響其功率的重要參數(shù)為煤料運量和帶速。當(dāng)帶式輸送機的運量一定時，帶速與功率成正比；當(dāng)帶式輸送機的速度一定時，煤料運量越大，消耗功率越高。帶式輸送機的帶速與功率的關(guān)系曲線如圖1 所示，其中Q1、Q2、Q3為帶式輸送機的運量，v為帶式輸送機的運行速度，P為帶式輸送機的輸出功率。

為降低帶式輸送機輸出功率，必須減小帶速，達到節(jié)能減排的目的。但是，由圖1 可知，帶式輸送機的帶速減小時，煤料運量也會相應(yīng)減少；隨著帶速減小，帶式輸送機的皮帶在單位面積內(nèi)收到的張力會增大[5]。因此，在設(shè)計帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)時，必須以煤料運量與帶式輸送機的皮帶寬度為限制條件。在滿足限制條件時，選取較低的帶速作為帶式輸送機的運行速度，達到節(jié)能的目的。定義qm為帶式輸送機在運行時允許的最大煤料線密度，則帶速與煤料運量之間的關(guān)系可表示為公式（1）：

圖1 帶式輸送機帶速與功率關(guān)系曲線

為保證帶式輸送機安全、穩(wěn)定運行，qm必須維持不變。則由式（1）可知，帶式輸送機的煤料運量增大時，帶速隨之增加；帶式輸送機的煤料運量減小時，帶速隨之減小。根據(jù)帶式輸送機實際運行情況可知，當(dāng)煤料運量較小或為零時，保持帶速為最小值即可。帶式輸送機帶速與煤料運量Q之間的關(guān)系曲線見圖2 所示，帶速最小為vmin，其關(guān)系可表示為公式（2）以及公式（3）：

圖2 帶式輸送機帶速與煤料運量關(guān)系曲線

由上述分析可知：當(dāng)煤料運量較小時，由控制器減小變頻器的運行頻率，降低電機轉(zhuǎn)速，進而使帶式輸送機的帶速與煤料運量相匹配；當(dāng)煤料運量較大時，由控制器增加變頻器的運行頻率，增加電機轉(zhuǎn)速，進而調(diào)整帶速與煤料運量達到最優(yōu)匹配，最終達到節(jié)能的效果。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 模糊控制器的設(shè)計

將帶式輸送機的煤料運料偏差q，帶速偏差e以及帶速偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，將帶式輸送機的三臺電機的頻率f作為模糊控制器的輸出，即設(shè)計三輸入一輸出的模糊控制器。利用PLC 控制器，控制變頻器的運行頻率f，進而調(diào)節(jié)帶速。

定義煤料運量偏差的基本論域為{-q，q}，帶速偏差的基本論域為{-e，e}，帶速偏差變化率的基本論域為{-ec，ec}，電機運行頻率的基本論域為{-q，q}。對輸入/輸出基本論域進行量化，并得到各自對應(yīng)的量化論域。根據(jù)量化論域創(chuàng)建模糊控制變量賦值表以及模糊控制規(guī)則[6]。最后，利用加權(quán)平均法設(shè)計模糊控制器推理。所設(shè)計的帶式輸送機模糊控制系統(tǒng)見圖3 所示，PLC 控制器除執(zhí)行邏輯控制外，還必須將所設(shè)計的模糊控制算法的結(jié)果存入其M區(qū)內(nèi)，實際對三臺電機進行控制時，只需查表即可。帶式輸送機n的取值為0～1 495 r/min，v取值為0～4.5 m/s，則n與v的關(guān)系可表示為式（4）：

即調(diào)節(jié)控制帶式輸送機電機的變頻器運行頻率，即可對帶速進行調(diào)節(jié)，達到節(jié)能運行的目的。

圖3 帶式輸送機模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2 軟件程序的設(shè)計

帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程見圖4所示，PLC 控制器根據(jù)實際運行工況，對三臺電機的運行頻率進行修正，進行達到調(diào)速帶式輸送機運行速度的目的。根據(jù)設(shè)計的PLC 軟件流程，進入功率模糊控制子程序，采集三臺電機輸出電流，并計算其平均值。以2 號電機為例，如果其實時輸出電流值大于平均電流值且其比值大于105%，則減小2 號變頻器的輸出頻率；如果其比值小于95%，則增大2 號變頻器的輸出頻率。否則，PLC 控制器會循環(huán)采集電機輸出電流。

圖4 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)軟件流程

3 節(jié)能分析

以某礦主斜井帶式輸送機為例，進行節(jié)能分析，主要參數(shù)信息為：礦井年產(chǎn)量5 Mt/年，帶式輸送機長度L=1 860 m+2 100 m，帶寬B=1 500 mm，運量Q=2 500 t/h，帶速v=4.5 m/s，傾角為6°，電機由三臺，額定電壓為6 kV，功率為1 400 kW，年工作日為300 d，日工作18 h。根據(jù)上述參數(shù)計算有：Q=（5×106）/（300×18）≈925t/h；冗余比為（2500-925）/2500≈63%。

改造前，該帶式輸送機為恒速運行模式，則年耗電量W1=3×1400×300×18×0.63=14 288 400 kWh。

改造后，該帶速輸送機的煤料運量為額定運量的50%時，帶速為2.5m/s，電機功率為1 050 kW，則年耗電量W2=1 050×300×18=5 670 000 kWh。

年節(jié)約耗電量為ΔW=W1-W2=14 288 400-5 670 000 =8 618 400 kWh。節(jié)電率η=8 618 400/14 288 400=60.3%。

4 結(jié)語

帶式輸送機采用節(jié)能控制系統(tǒng)后，節(jié)電效果明顯，達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。以變頻方式驅(qū)動三臺電機運行，使其啟動電流較小，可實現(xiàn)平滑啟動。通過調(diào)節(jié)變頻器的運行頻率，進而調(diào)整帶式輸送機的帶速，使得其機頭電機功率和機尾電機功率不平衡。因此，在后續(xù)需要研究節(jié)能控制系統(tǒng)中機頭/機尾電機功率平衡問題，保證帶式輸送安全、穩(wěn)定、有效運行。