煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制方法研究

高沛林， 苗鑫， 楊方

（1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

0 引言

帶式輸送機(jī)以其輸送能力強(qiáng)、輸送距離長(zhǎng)、可靠性高和易于集中控制的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為煤礦高效生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備[1]。由于煤炭生產(chǎn)的不連續(xù)性，使帶式輸送機(jī)常常處于空載、輕載及很少達(dá)到滿載的運(yùn)行狀態(tài)，造成電能浪費(fèi)，同時(shí)加劇了設(shè)備磨損[2]。解決這些問(wèn)題的主要方法是根據(jù)檢測(cè)到的帶式輸送機(jī)載荷對(duì)帶速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)“煤多快拉、煤少慢拉”，達(dá)到節(jié)能和提高運(yùn)行效率的目的。目前，許多學(xué)者對(duì)帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能控制方法做了大量研究。文獻(xiàn)[3]通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流得到負(fù)荷大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)2部帶式輸送機(jī)的自適應(yīng)調(diào)速控制。文獻(xiàn)[4]建立了以煤流量、帶速和能耗為變量的節(jié)能模型，利用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了煤流量和帶速的最優(yōu)匹配關(guān)系，利用模糊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)2部帶式輸送機(jī)的節(jié)能調(diào)速控制。文獻(xiàn)[5]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了由煤流量、帶速和總功率構(gòu)成的節(jié)能優(yōu)化模型，提出了基于變頻調(diào)速的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單部帶式輸送機(jī)的優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[6]針對(duì)煤流量信息滯后問(wèn)題，利用狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)輸送帶張力的變化率和煤流量信息，建立了煤量識(shí)別系統(tǒng)，應(yīng)用模糊推理得到了煤流量與優(yōu)化帶速的匹配關(guān)系， 給出了合理的帶速，解決了因煤流量檢測(cè)信號(hào)與實(shí)時(shí)煤量信息不同步導(dǎo)致的帶式輸送機(jī)無(wú)法及時(shí)提速引發(fā)堆煤或溢煤的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]通過(guò)載荷檢測(cè)獲取帶式輸送機(jī)的整體載荷和物料分布情況，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)順煤流啟動(dòng)。但目前的方法很少考慮帶式輸送機(jī)之間煤流上下游接續(xù)關(guān)系、煤流量傳感器安裝位置、檢測(cè)誤差、信息滯后及帶速改變過(guò)程中的時(shí)序關(guān)系等對(duì)帶式輸送機(jī)調(diào)速的影響。針對(duì)上述問(wèn)題，本文分析了帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率與運(yùn)行阻力和帶速之間的關(guān)系，得出了最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件和最佳節(jié)電率。根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件和物料平衡關(guān)系，綜合考慮煤流接續(xù)、煤流量檢測(cè)及帶速改變等因素，提出了一種帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制方法。將該方法應(yīng)用于陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱檸條塔煤礦）101號(hào)主提升帶式輸送機(jī)控制中，取得了滿意的效果，證明了該方法的可靠性。

1 帶式輸送機(jī)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件與最佳節(jié)電率

在長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，當(dāng)忽略次要阻力時(shí)，其運(yùn)行阻力可以近似表示為[8]

式中：C為附加阻力系數(shù)；FH和FSt分別為帶式輸送機(jī)的主要阻力和傾斜阻力；f為摩擦因數(shù)；L為帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度；g為重力加速度，g=9.81m/s2；qRO和qRU分別為上下托輥轉(zhuǎn)動(dòng)部分每米長(zhǎng)度質(zhì)量；qB為輸送帶每米長(zhǎng)度質(zhì)量；β為帶式輸送機(jī)安裝傾斜角度；qG為輸送帶每米運(yùn)送的物料質(zhì)量；H為帶式輸送機(jī)垂直高差；FUK為空載阻力；A為物料阻力系數(shù)。

由于生產(chǎn)因素的影響，qG在0～qGN（輸送帶每米運(yùn)送物料質(zhì)量的額定值）之間變化，則帶式輸送機(jī)上物料的填充率可以定義為

將式（2）代入式（1），得

式中α為常數(shù)， α =AqGN。

根據(jù)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率與驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)行速度之間的關(guān)系，當(dāng)帶式輸送機(jī)勻速運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾筒所需的功率為

式中v為帶速。

可見，在運(yùn)行阻力不變的條件下，降低帶式輸送機(jī)帶速可減小帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率。

帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制就是在不影響運(yùn)輸生產(chǎn)的前提下，使驅(qū)動(dòng)功率最小。則目標(biāo)函數(shù)為

實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能控制就是通過(guò)調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)帶速，使其在滿載（ γ =100%）狀態(tài)下以最小帶速（vmin）運(yùn)行，此時(shí)驅(qū)動(dòng)功率最小。

設(shè)帶式輸送機(jī)在不同填充率 γj（ γj為第j次獲取的填充率，j=1,2, ···,r，r為獲取次數(shù)）下以額定帶速vN運(yùn)行時(shí)的最大驅(qū)動(dòng)功率為PGT.max，改變帶速使帶式輸送機(jī)以最優(yōu)節(jié)能方式運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率為PGT.min，定義這2個(gè)驅(qū)動(dòng)功率之差與最大驅(qū)動(dòng)功率之比為不同填充率 γj下的最佳節(jié)電率，即

式中 λj.max為不同填充率下的最佳節(jié)電率。

2 最優(yōu)控制帶速確定

在實(shí)際運(yùn)輸系統(tǒng)中，帶式輸送機(jī)之間均以串聯(lián)接續(xù)的方式進(jìn)行煤炭運(yùn)送，任一部帶式輸送機(jī)的填充率和帶速的改變都會(huì)影響下游帶式輸送機(jī)的填充率和帶速。運(yùn)輸系統(tǒng)中帶式輸送機(jī)單入串聯(lián)接續(xù)如圖1所示。qi?1，vi?1和qi，vi分別為i?1號(hào)（上游）和i號(hào)（下游）帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)煤流量（每米輸送帶上的煤炭質(zhì)量）和帶速，當(dāng)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上游帶式輸送機(jī)上的來(lái)煤就落入下游帶式輸送機(jī)上，構(gòu)成串聯(lián)接續(xù)關(guān)系。

圖1 帶式輸送機(jī)單入串聯(lián)接續(xù)Fig.1 Single input series connection of belt conveyor

設(shè)i?1號(hào)和i號(hào)帶式輸送機(jī)的額定煤流量分別為q(i?1)N和qiN， 根 據(jù)物料平衡關(guān)系（即qivi=γiqiNvi=qi?1vi?1= γi?1q(i?1)Nvi?1），可得i號(hào)帶式輸送機(jī)帶速：

式中：w(i?1)i為上游帶式輸送機(jī)相對(duì)于下游帶式輸送機(jī)的運(yùn)能系數(shù)，w(i?1)i=q(i?1)N/qiN； γi?1， γi分別為i?1號(hào)（上游）和i號(hào)（下游）帶式輸送機(jī)的填充率。

根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件，由式（7）可得

式中vimin為i號(hào)帶式輸送機(jī)填充率為1時(shí)的最小帶速。

由于煤炭的散料特性，為了避免帶速變化引起的溢煤或堆煤事故，帶速不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能以臺(tái)階式變化。為此引入帶速控制系數(shù)ki（ki=vi/viN，viN為i號(hào)帶式輸送機(jī)的額定帶速）。結(jié)合式（8）可得i號(hào)帶式輸送機(jī)的最優(yōu)帶速控制系數(shù)：

式中ki?1，v(i?1)N分別為i?1號(hào)帶式輸送機(jī)帶速控制系數(shù)和額定帶速。

帶式輸送機(jī)雙入串聯(lián)接續(xù)如圖2所示，當(dāng)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上游帶式輸送機(jī)（1號(hào)、2號(hào)）的來(lái)煤就落入下游帶式輸送機(jī)，構(gòu)成雙入串聯(lián)接續(xù)關(guān)系。

圖2 帶式輸送機(jī)雙入串聯(lián)接續(xù)Fig.2 Dual input series connection of belt conveyor

設(shè)上游1號(hào)、2號(hào)帶式輸送機(jī)額定煤流量、填充率、帶速分別為q(i?1)1N和q(i?1)2N、 γ(i?1)1和 γ(i?1)2、v(i?1)1和v(i?1)2，由物料平衡關(guān)系（即γiqiNvi= γ(i?1)1q(i?1)1Nv(i?1)1+γ(i?1)2q(i?1)2Nv(i?1)2），可得最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件下的帶速：

式中w(i?1)1i,w(i?1)2i分別為上游1號(hào)、2號(hào)帶式輸送機(jī)相對(duì)于i號(hào)帶式輸送機(jī)的運(yùn)能系數(shù)，w(i?1)1i=q(i?1)1N/qiN，w(i?1)2i=q(i?1)2N/qiN。

若v(i?1)1N=v(i?1)2N=v(i?1)N（v(i?1)1N，v(i?1)2N分 別 為 上游1號(hào)、2號(hào)帶式輸送機(jī)額定帶速，v(i?1)N為上游帶式輸送機(jī)額定帶速），由式（10）可得i號(hào)帶式輸送機(jī)的最優(yōu)帶速控制系數(shù)：

式中k(i?1)1，k(i?1)2分別為上游1號(hào)、2號(hào)帶式輸送機(jī)帶速控制系數(shù)。

3 節(jié)能優(yōu)化控制方法

根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件和物料平衡關(guān)系，可得最優(yōu)節(jié)能控制條件下帶式輸送機(jī)的最優(yōu)控制帶速給定值。但受煤炭的散料特性、帶式輸送機(jī)上下游接續(xù)、煤流量傳感器安裝位置造成的信息滯后、檢測(cè)誤差及帶速改化過(guò)程中的時(shí)序關(guān)系等因素的影響，帶式輸送機(jī)不可能以最優(yōu)控制帶速（vimin）運(yùn)行，否則，會(huì)造成溢煤或堆煤事故。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程中煤流平穩(wěn)接續(xù)，根據(jù)帶式輸送機(jī)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件，并考慮上述因素，以i號(hào)帶式輸送機(jī)為例，研究帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制方法的實(shí)現(xiàn)。

3.1 煤流量信息檢測(cè)

設(shè)上游（i?1號(hào)）帶式輸送機(jī)的煤流量傳感器安裝位置距機(jī)頭距離為li?1，其帶速為vi?1，煤流量信息檢測(cè)如圖3所示。

圖3 煤流量信息檢測(cè)Fig.3 Coal flow information detection

設(shè)煤流量傳感器讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間為t，從t0時(shí)刻開始讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò) Δt（t0?tY?1時(shí)刻，Y為煤流量傳感器讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)）時(shí)段，t0時(shí)刻檢測(cè)的煤流（數(shù)據(jù)）到達(dá)機(jī)頭，則在 [t0,tY?1]區(qū)間內(nèi)i?1號(hào)帶式輸送機(jī)的煤流量與填充率的關(guān)系如圖4（圖中 γˉi?1為i?1號(hào)帶式輸送機(jī)的平均填充率）所示，表達(dá)式如下：

圖4 煤流量檢測(cè)時(shí)序Fig.4 Timing sequence of coal flow detection

在 Δt時(shí)段內(nèi)，設(shè)煤流量傳感器讀取了Y個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則i?1號(hào)帶式輸送機(jī)上煤流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集合為

式中qi?1(tx)為i?1號(hào)帶式輸送機(jī)在任意時(shí)刻tx的煤流量，x=0,1, ···,M?1,···,Y?1（M為任意時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)）。

在運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，集合Gi?1中的Y個(gè)數(shù)據(jù)是不斷刷新的。為了消除檢測(cè)干擾，求取M個(gè)數(shù)據(jù)的平均值（濾波），即以平均填充率 γˉi?1作為下游帶式輸送機(jī)帶速改變的依據(jù)。

3.2 優(yōu)化控制給定帶速與帶速改變時(shí)序確定

為了防止溢煤或堆煤事故，帶速不能連續(xù)變化，即最優(yōu)帶速控制系數(shù)kimin必 須為離散值。假設(shè)kimin的集合K={1.0,0.8,0.6,0.4,0.2}，所對(duì)應(yīng)的區(qū)間分別為[1.0,0.8)、[0.8,0.6)、[0.6,0.4)、[0.4,0.2)和[0.2,0]。對(duì)于帶式輸送機(jī)單入和雙入串聯(lián)接續(xù)方式，可根據(jù)式（9）和式（11）分別求出最優(yōu)帶速控制系數(shù)kimin，判斷其落入的區(qū)間，并取該區(qū)間的上限值作為優(yōu)化帶速控制系數(shù)ki， 進(jìn)而求出給定帶速vGi=kiviN。

考慮帶式輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性[9-10]，其帶速的改變分為加速（啟動(dòng)）或減速（制動(dòng)）過(guò)程，帶速變化表達(dá)式為

式中：v01和v02為原有帶速； Δv1和 Δv2為 帶 速 改 變 量；T1和T2為加速與減速段時(shí)長(zhǎng)。

考慮到煤流檢測(cè)信息的滯后性，為了避免由于帶速改變引起的溢煤或堆煤事故，實(shí)現(xiàn)煤流平穩(wěn)接續(xù)，啟動(dòng)過(guò)程必須超前，制動(dòng)過(guò)程必須滯后；同時(shí)依照設(shè)定的帶速控制系數(shù)ki，得到在加速與減速過(guò)程中給定帶速（控制系數(shù)）的曲線，如圖5所示。圖中Δt11，Δt12， Δt13， Δt14分別為加速過(guò)程中的檢測(cè)濾波時(shí)段、延時(shí)時(shí)段、加速時(shí)段和安全延時(shí)時(shí)段； Δt21， Δt22，Δt23，Δt24分別為減速過(guò)程中的檢測(cè)濾波時(shí)段、延時(shí)時(shí)段、安全延時(shí)時(shí)段和減速時(shí)段。

圖5 煤流平穩(wěn)接續(xù)的給定帶速Fig.5 Given belt velocity of smooth connection of coal flow

3.3 最優(yōu)節(jié)能控制方法

根據(jù)上述分析，運(yùn)輸系統(tǒng)中i號(hào)帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制流程如圖6所示。

圖6 帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制流程Fig.6 Flow of energy saving optimized control for belt conveyor

初始化是輸入基本參數(shù)，如煤流量、帶速、運(yùn)能系數(shù)及帶速控制系數(shù)與其區(qū)間等；系統(tǒng)依次啟動(dòng)，在i?1號(hào)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后順序啟動(dòng)延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后采集各參數(shù)并讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算并確定i號(hào)帶式輸送機(jī)的給定帶速vGi和各時(shí)段延時(shí)；若為初始啟動(dòng)則根據(jù)給定帶速和延時(shí)進(jìn)入啟動(dòng)過(guò)程，否則將給定帶速與當(dāng)前實(shí)時(shí)帶速進(jìn)行比較，若相等則速度不變，否則延時(shí)不變，延時(shí)到則分別進(jìn)入加速或減速過(guò)程，并將得到的給定帶速送入i號(hào)帶式輸送機(jī)帶速控制單元，對(duì)i號(hào)帶式輸送機(jī)進(jìn)行帶速調(diào)節(jié)，運(yùn)輸系統(tǒng)停車前依次循環(huán)。

4 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 帶式輸送機(jī)最優(yōu)節(jié)能實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)帶式輸送機(jī)在最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件下的最佳節(jié)電率，搭建了由變頻器、功率分析儀、變頻電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器和磁粉制動(dòng)器組成的帶式輸送機(jī)模擬節(jié)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示。

圖7 帶式輸送機(jī)模擬節(jié)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Simulation energy-saving experimental platform of belt conveyor

變 頻 器 型 號(hào) 為 DCS550?01?12A?4（5.5 kW），功率分析儀型號(hào)為PA3000，變頻電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YZP132M2?6（功率為 3.7 kW 和轉(zhuǎn)速為 912 r/min），轉(zhuǎn)矩傳感器型號(hào)為ZJ?100，磁粉制動(dòng)器型號(hào)為CZ?5（力矩為 0～50 N·m，可調(diào)）。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]的數(shù)據(jù)，計(jì)算出帶式輸送機(jī)空載阻力與額定運(yùn)行阻力的比值分別為21.9%、20.3%和29.7%，為了模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算方便，本文設(shè)帶式輸送機(jī)空載阻力與額定運(yùn)行阻力的比值為25%，由式（3）和式（4）可得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率與填充率的關(guān)系：

式中： ρ 為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率；PGTN為帶式輸送機(jī)額定驅(qū)動(dòng)功率；FUN為帶式輸送機(jī)額定運(yùn)行阻力。

設(shè)填充率 γ 分別為 0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，由式（16）求出對(duì)應(yīng)的負(fù)載率并通過(guò)磁粉制動(dòng)器加載，取轉(zhuǎn)速n的控制系數(shù)依次為 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，分別記錄在不同填充率和不同轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，見表1。其中nN為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，nN對(duì)應(yīng)列數(shù)據(jù)為不同填充率下非節(jié)能運(yùn)行模式下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)角數(shù)據(jù)（粗體）為最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，右下角部分（斜體）為不允許出現(xiàn)的溢煤狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率。

由式（6）和表1中的數(shù)據(jù)可計(jì)算出不同填充率下的最佳節(jié)電率，見表2。由表2可看出，帶式輸送機(jī)在最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件下的最佳節(jié)電率為20.9%～76.5%。但是，在實(shí)際運(yùn)輸系統(tǒng)中，由于帶速不能連續(xù)調(diào)節(jié)，所以不可能達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行工況。

表1 不同填充率和轉(zhuǎn)速下的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率Table 1 Driving powers of motor at different filling rate and rotate speed

表2 不同填充率下的最佳節(jié)電率Table 2 Optimal power saving rate under different filling rate

4.2 檸條塔煤礦主提升帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制

檸條塔煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中1 號(hào)?4 號(hào)帶式輸送機(jī)分別為北翼 N3?1、南翼 S3?1、主提升101號(hào)和棧橋102號(hào)帶式輸送機(jī)，基本參數(shù)見表3。1號(hào)、2號(hào)帶式輸送機(jī)以雙入串聯(lián)接續(xù)方式將煤炭送入3號(hào)帶式輸送機(jī)，3號(hào)和4號(hào)帶式輸送機(jī)為單入串聯(lián)接續(xù)方式。

圖8 檸條塔煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.8 Main transportation system of Ningtiaota Coal Mine

表3 帶式輸送機(jī)基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of belt conveyors

下面以3號(hào)帶式輸送機(jī)為對(duì)象對(duì)其進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化控制應(yīng)用。設(shè)計(jì)了檸條塔煤礦主提升帶式輸送機(jī)優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)，其硬件平臺(tái)利用已有的膠帶運(yùn)輸集中控制系統(tǒng)[13]，即基于工業(yè)以太網(wǎng)的AB Controllogix1756 系列 PLC系統(tǒng)。1號(hào)?3號(hào)帶式輸送機(jī)的煤流量和帶速檢測(cè)選用ICS?ST型礦用電子膠帶秤，煤流量和帶速信息通過(guò)各自連接的PLC控制分站、以太網(wǎng)交換機(jī)和環(huán)網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器和控制主機(jī)，控制主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出給定帶速，將給定帶速信息送至3號(hào)帶式輸送機(jī)的控制分站，調(diào)速控制采用PID控制算法。

設(shè)1號(hào)和2號(hào)帶式輸送機(jī)以額定帶速運(yùn)行，其帶速控制系數(shù)k1=k2=1；由表3參數(shù)和式（11）可得3號(hào)帶式輸送機(jī)的最優(yōu)帶速控制系數(shù)k3min=0.75×（γ1+γ2）×1×1=0.75γ12，然后判斷其落入集合K所對(duì)應(yīng)的區(qū)間，并取上限值作為最優(yōu)帶速控制系數(shù)k3，得到3號(hào)帶式輸送機(jī)給定帶速vG3=4k3。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，3號(hào)帶式輸送機(jī)的全速啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為 50 s,設(shè)全速停車時(shí)長(zhǎng)也為 50 s，因?yàn)殡x散帶速被劃分為5級(jí)，則每一級(jí)時(shí)長(zhǎng)為10 s，由此可計(jì)算出不同加速或減速時(shí)段的時(shí)長(zhǎng) Δt13和 Δt24。

由l1=l2=300m，可得 Δt=75s；設(shè)帶速控制周期為200 ms，取式（13）中的M=60，得 Δt1=12s，可以計(jì)算出加速與減速過(guò)程各時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)，表4分別給出了1個(gè)加速和減速過(guò)程接續(xù)時(shí)段的數(shù)據(jù)。加速和減速過(guò)程中原有帶速分別為 0.8 m/s和 3.2 m/s，根據(jù)上游1號(hào)、2號(hào)帶式輸送機(jī)的煤流量信息，需要將3號(hào)帶式輸送機(jī)帶速分別增大或減小到3.2 m/s或2.4 m/s。

表4 加速與減速過(guò)程接續(xù)時(shí)段Table 4 Connection time interval in acceleration and deceleration process

在主提升帶式輸送機(jī)優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，根據(jù)圖6的控制流程和實(shí)際參數(shù)完成3號(hào)帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件的編程與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)上游1號(hào)和2號(hào)帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)煤流量和帶速信息對(duì)3號(hào)帶式輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速節(jié)能優(yōu)化控制與煤流的平穩(wěn)接續(xù)。對(duì)3號(hào)帶式輸送機(jī)在非節(jié)能和節(jié)能優(yōu)化控制2種運(yùn)行模式及不同填充率下的驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5。表中為節(jié)能優(yōu)化控制下的驅(qū)動(dòng)功率。

表5 不同工況下驅(qū)動(dòng)功率統(tǒng)計(jì)Table 5 Powers statistics under different working conditions

在表5中，當(dāng)3號(hào)帶式輸送機(jī)空載（ γ3=0，vG3=0.8m/s）時(shí)，節(jié)電率為62.9%；在不同填充率區(qū)間和對(duì)應(yīng)的優(yōu)化帶速控制條件下，節(jié)電率為9.1%～43.9%。運(yùn)行結(jié)果表明，本文提出的節(jié)能優(yōu)化控制方法實(shí)現(xiàn)了煤流的平穩(wěn)接續(xù)，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)論

（1） 從帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻力出發(fā)，可得其驅(qū)動(dòng)功率與運(yùn)送物料的填充率和帶速有關(guān)，最優(yōu)節(jié)能控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)帶速，使帶式輸送機(jī)在滿載狀態(tài)下以最小帶速運(yùn)行，此時(shí)驅(qū)動(dòng)功率最小，由此可獲得節(jié)能優(yōu)化控制的最佳節(jié)電率。利用搭建的帶式輸送機(jī)模擬節(jié)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)得出帶式輸送機(jī)的最佳節(jié)電率為20.9%～76.5%。

（2） 根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行條件、帶式輸送機(jī)上下游接續(xù)方式與物料平衡關(guān)系、額定運(yùn)輸質(zhì)量與額定帶速，推導(dǎo)得出帶式輸送機(jī)最優(yōu)節(jié)能控制條件下的最小帶速與最優(yōu)帶速控制系數(shù)；考慮煤流量傳感器安裝位置、檢測(cè)誤差、信息滯后及帶速改變過(guò)程中的時(shí)序關(guān)系等因素，提出了一種帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制方法。該方法根據(jù)上游帶式輸送機(jī)的煤流量，計(jì)算得出最優(yōu)節(jié)能控制條件下下游帶式輸送機(jī)優(yōu)化節(jié)能控制的給定帶速變化曲線，由此可實(shí)現(xiàn)下游帶式輸送機(jī)帶速調(diào)節(jié)。

（3） 帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制方法已應(yīng)用于檸條塔煤礦101號(hào)主提升帶式輸送機(jī)控制中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶式輸送機(jī)的優(yōu)化節(jié)能控制，節(jié)能效果明顯，節(jié)電率為9.1%～43.9%。