帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

郭 凱， 崔世杰， 曹永愛(ài)

（山西科達(dá)自控股份有限公司， 山西 太原 030006）

引言

現(xiàn)階段，帶式輸送機(jī)主要采用恒速運(yùn)行模式，為保證帶式輸送機(jī)運(yùn)載能力一般按最大載重進(jìn)行帶速設(shè)定。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中輸送機(jī)不可能時(shí)時(shí)刻刻滿載，此時(shí)的帶式輸送機(jī)仍以最大載重帶速運(yùn)行，這使得設(shè)備磨損大大增加，同時(shí)也造成了大馬拉小車的現(xiàn)象，造成設(shè)備能源使用的大量浪費(fèi)。據(jù)相關(guān)能源統(tǒng)計(jì)，帶式輸送機(jī)的能源使用率只有45%，半數(shù)以上的能源被浪費(fèi)，能源使用率低下[1-3]。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文擬設(shè)計(jì)出一套帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)模糊控制的方法使輸送機(jī)的帶速隨著給煤量、載重、煤量變化率等指標(biāo)的變化而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，使其避免設(shè)備能源的浪費(fèi)，提高能源使用率。

1 帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)能分析

帶式輸送機(jī)主要由托輥、張緊裝置、輸送帶、滾筒等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。在實(shí)際煤炭企業(yè)生產(chǎn)中，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的啟動(dòng)采用逆煤流啟動(dòng)方法，順序一般為主運(yùn)皮帶機(jī)的啟動(dòng)、順槽皮帶機(jī)的啟動(dòng)、采煤機(jī)的啟動(dòng)。在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)程中，帶式輸送機(jī)等設(shè)備的皮帶上是沒(méi)有進(jìn)行煤炭運(yùn)輸?shù)?，這就造成了皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的能源浪費(fèi)。再加上日常生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備故障、損壞需要企業(yè)停產(chǎn)，或者煤炭生產(chǎn)能力無(wú)法達(dá)到輸送機(jī)運(yùn)輸能力的最大值，輸送機(jī)的運(yùn)行都會(huì)造成設(shè)備能源或多或少的浪費(fèi)。故本文擬設(shè)計(jì)一款帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)可隨裝載量的變化而進(jìn)行帶速調(diào)節(jié)，減少能源消耗，提高設(shè)備能源使用效率。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)速節(jié)能控制方法

常用的調(diào)速節(jié)能控制方法由最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制和PID 控制四種方法。其中，PID 控制方法應(yīng)用最為廣泛，是自動(dòng)化領(lǐng)域最主要的線性控制方法。模糊控制法較次，屬于非線性控制方法。PID 控制方法精度高、參數(shù)控制明顯，但在抗干擾與適應(yīng)性方面較模糊控制法差?？紤]到煤炭企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工作環(huán)境復(fù)雜多變，干擾較多，且?guī)捷斔蜋C(jī)的模型應(yīng)看成較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，故本文采用模糊控制的方法進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

模糊控制系統(tǒng)主要分為控制器與控制對(duì)象兩部分，其具體組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示?？刂破髦饕譃榻涌?、推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)三部分。知識(shí)庫(kù)由規(guī)則庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)組成，其功能主要為將誤差及其相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供控制器使用的數(shù)據(jù)、邏輯推理的完善、邏輯推理結(jié)果的對(duì)應(yīng)。接口主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)與模擬量的轉(zhuǎn)換。推理機(jī)是模糊控制方法的核心部件，其主要功能是依據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的程序運(yùn)算，具有基于模糊控制的推理運(yùn)算能力。

圖2 模糊控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模糊控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)控制系統(tǒng)節(jié)能分析可知，控制帶速的指標(biāo)應(yīng)包括載重、煤倉(cāng)煤位、給煤量變化率以及載重變化率，對(duì)其進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

將載重以及煤倉(cāng)煤位輸入控制系統(tǒng)后，經(jīng)控制系統(tǒng)計(jì)算后可得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)值，從而進(jìn)行輸送機(jī)的帶速控制。應(yīng)用于不同場(chǎng)景與不同情況下的帶式輸送機(jī)所設(shè)定的輸入指標(biāo)也不相同，當(dāng)輸送機(jī)應(yīng)用于不帶煤倉(cāng)的煤礦中時(shí)，采煤機(jī)開(kāi)采時(shí)間、載重與載重變化率則成為主要控制指標(biāo)，其他情況同理。

2.3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)隨著科技的不斷發(fā)展已趨于成熟。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、負(fù)載適應(yīng)力強(qiáng)、體積小、容量大、性價(jià)比高等特點(diǎn)，是帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的首選。變頻器主要使用交-直-交變換模式，其電路主要有整流、中間直流以及逆變?nèi)齻€(gè)環(huán)節(jié)。交-直-交變頻控制模式共有三種，分別為可控整流器+逆變器的調(diào)壓調(diào)頻控制方式；二極管整流+斬波器+逆變器的調(diào)壓調(diào)頻控制方式；PWM逆變器的調(diào)壓調(diào)頻控制方式。本文擬選用第三種調(diào)壓調(diào)頻方法進(jìn)行控制。PWM 逆變器控制法較前兩種優(yōu)勢(shì)較多，當(dāng)PWM 逆變器的輸出電壓脈寬按照正弦的規(guī)律發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流變化也可近似于正弦，使諧波影響降低，電網(wǎng)波形畸變概率減小，使控制系統(tǒng)功率因素提高。將第三種方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 其他硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 傳感器及測(cè)量?jī)x表

本設(shè)計(jì)需運(yùn)用到的傳感器及測(cè)量?jī)x表主要有溫度傳感器、煙霧傳感器、煤位測(cè)量傳感器、電參數(shù)測(cè)量模塊、跑偏開(kāi)關(guān)、縱撕測(cè)量開(kāi)關(guān)，其可以對(duì)皮帶的帶速、跑偏度、溫度、縱撕度以及礦井煙霧、功率進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。

2.4.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱PLC，以現(xiàn)代微處理技術(shù)為核心，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控器?？删幊踢壿嬁刂破髦饕譃檩斎肽K、輸出模塊、主控模塊以及開(kāi)關(guān)輸入、輸出模塊。其中，輸入模塊主要用于接收傳感器等測(cè)量設(shè)備的輸出信號(hào)，輸出模塊主要對(duì)變頻器進(jìn)行信號(hào)輸出，開(kāi)關(guān)量輸入與輸出模塊主要用于接收信號(hào)與控制繼電器，主控模塊主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)算，并通過(guò)TCP/IP 協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行連接。

2.4.3 電參數(shù)采集模塊

電參數(shù)采集模塊主要是進(jìn)行輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流、功率、電壓等電力參數(shù)的采集。電參數(shù)采集模塊采用三相電參數(shù)采集模塊，模塊支持RS485 與RS232接口，支持LC-01、MODBUS-RTU 以及ASCII 協(xié)議。

3 系統(tǒng)測(cè)試

按照上述設(shè)計(jì)方法，對(duì)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行組裝并進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，帶速可隨著載重、煤倉(cāng)煤位、給煤量變化率以及載重變化率的變化進(jìn)行調(diào)整，設(shè)備能源消耗大大降低。經(jīng)測(cè)試，帶式輸送機(jī)的能源使用率提升為69.5%，節(jié)能效果顯著，可用于實(shí)際生產(chǎn)之中。

4 結(jié)論

1）模糊控制具有抗干擾能力高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，較最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和PID 控制方法更為適合應(yīng)用于帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)。

2）經(jīng)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，帶速可隨著載重、煤倉(cāng)煤位、給煤量變化率以及載重變化率的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，能源使用率顯著提升，提高為69.5%，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能目的。