帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計研究

王 磊

（鐵峰煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 037200）

引言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，煤炭產(chǎn)能過剩現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，煤炭企業(yè)由前期的滿負(fù)荷生產(chǎn)變成間斷性生產(chǎn)。帶式輸送機作為煤炭井下生產(chǎn)的主要運輸設(shè)備，由于煤炭的間隔性生產(chǎn)造成了帶式輸送機運輸?shù)牟痪?，設(shè)備常處于空載或半負(fù)載狀態(tài)。傳統(tǒng)的帶式輸送機控制系統(tǒng)大多采用冗余原則設(shè)計，設(shè)備運行功率設(shè)定常高于滿載所需功率，造成了巨大的電力能源浪費。針對這一現(xiàn)象，本文提出了采用基于模糊控制算法的帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計研究，通過實時調(diào)節(jié)帶式輸送機運行速度，在滿足生產(chǎn)所需的前提下，減少設(shè)備能源損耗，提高能源利用率，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 帶式輸送機基本結(jié)構(gòu)及功耗影響因素分析

帶式輸送機主要由電動機、輸送帶、托輥、減速器、支架、自動張緊裝置、保護系統(tǒng)和制動系統(tǒng)組成。帶式輸送機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。帶式輸送機的主要動力來源是電動機，減速機的主要作用是降速增扭，輸送帶是物料運輸?shù)闹饕休d物，滾筒接收到動力供給后以摩擦力的形式驅(qū)動輸送帶運行，完成設(shè)備運輸工作。

圖1 帶式輸送機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

帶式輸送機的功耗影響因素主要包括基礎(chǔ)功耗、地勢傾斜功耗、附加功耗以及特殊功耗。其中，基礎(chǔ)功耗包括托輥運行造成的功耗、物料擠壓造成的功耗、壓陷造成的功耗以及輸送帶彎折造成的功耗；地勢傾斜功耗主要是由于在實際生產(chǎn)過程中機頭與機尾存在一定角度，設(shè)備需克服物料以及設(shè)備重力運輸而造成的功耗；附加功耗主要包括滾筒處功耗和落料區(qū)功耗；特殊功耗是其他輔助裝置在使用過程中造成的功耗，對于長距離大型帶式輸送機來說，該功耗可以忽略不計。通過上述分析可知，基礎(chǔ)功耗與附加功耗主要與帶式輸送機的帶速與運載量有關(guān)，地勢傾斜功耗與傾角與運載量有關(guān)系，特殊功耗忽略。因此，可降低設(shè)備運行功耗的主要指標(biāo)為設(shè)備的帶速與運載量[1-3]。

2 帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

通過帶式輸送機功耗影響因素分析可知，影響帶式輸送機運行功耗的主要因素可歸納為運載量與帶速，帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)只需依據(jù)不同的運載量對設(shè)備的運行帶速進行相應(yīng)調(diào)節(jié)即可起到節(jié)能的效果。節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)主要由上位機部分、下位機部分、傳感監(jiān)測部分、執(zhí)行部分、分析部分以及被控部分，如圖2 所示。其中，傳感器監(jiān)測部分是系統(tǒng)最重要的信息采集部件，是控制系統(tǒng)運行的前提。本文需用到的傳感器包括溫度傳感器、煤位監(jiān)測傳感器、皮帶跑偏傳感器、煙霧傳感器以及縱撕開關(guān)等；變頻器的主要作用是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制，也就實現(xiàn)了對帶式輸送機帶速的控制；PLC 可編程控制器是整個節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)的核心部件，通過接收各傳感器收集的設(shè)備運行信號，對設(shè)備運行模擬信號進行分析處理，然后將對變頻器發(fā)出控制信號，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)運行速度的控制；上位機系統(tǒng)主要由組態(tài)王以及MATLAB 軟件組成，系統(tǒng)的主要作用是對帶式輸送機的運行狀態(tài)與運行參數(shù)進行分析計算處理，同時還需將處理前后的數(shù)據(jù)顯示出來。

圖2 節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)是通過速度傳感器、皮帶秤以及煤位測量傳感器對輸送機的帶速、載重以及煤位進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至可編程控制器以及上位機系統(tǒng)后，上位機系統(tǒng)與可編程控制器會對信號進行分析處理，然后輸出控制信息至變頻器，從而實現(xiàn)帶速依據(jù)運載量的不同而進行節(jié)能調(diào)節(jié)。

2.2 模糊控制算法設(shè)計

現(xiàn)階段，較為常有的控制方法主要有最優(yōu)控制、PID 控制以及模糊控制。其中，PID 控制出現(xiàn)最早，且是應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。模糊控制最為成熟，具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便等特點。PID 控制在精確方面性能雖強于模糊控制，但在抗干擾能力、適應(yīng)性能力等方面顯著劣于模糊控制。由煤炭井下工作環(huán)境較為復(fù)雜，系統(tǒng)抗干擾能力更為重要，故本文選擇模糊控制算法。

模糊控制是指依據(jù)大量過往的控制數(shù)據(jù)或?qū)嶋H的控制規(guī)則，利用計算機等儀器對帶式輸送機系統(tǒng)實施自動控制的方法。與傳統(tǒng)的控制模型相比，模糊控制方法不需要有固定的數(shù)學(xué)模型，只需通過對大量數(shù)據(jù)進行不斷學(xué)習(xí)即可。模糊控制系統(tǒng)主要由控制器與系統(tǒng)所控制的對象兩部分組成，控制器又由接口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫以及推理機組成，其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。推理機是模糊控制器的核心部件，可根據(jù)原先設(shè)定好的數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫，運用模糊概念對信號進行擬人運算處理，完成模糊控制。接口可分模糊化接口與反模糊化接口，主要作用是實現(xiàn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)信號與模糊信號的轉(zhuǎn)換[4-6]。

圖3 模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 軟件設(shè)計

節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件需實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)儲存、系統(tǒng)控制以及系統(tǒng)預(yù)警等。本文的模糊控制軟件主要采用西門子公司的STEP7-Micro/WIN SMART 軟件進行設(shè)計，軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要通過可編程控制器完成，系統(tǒng)通信通過OPC 軟件完成，報表以及各類數(shù)據(jù)曲線主要通過組態(tài)軟件完成。節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)軟件速度控制流程如圖4 所示。

圖4 節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)軟件速度控制流程

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要采用組態(tài)王kingview 軟件進行設(shè)計，組態(tài)王kingview 軟件使用方便、運行穩(wěn)定、成本低、性價比高，較為適合本系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面設(shè)計。監(jiān)控系統(tǒng)界面總共分初始界面、操作主界面、系統(tǒng)控制界面、警報界面以及設(shè)備安全判定界面，實現(xiàn)了軟件的數(shù)據(jù)顯示以及系統(tǒng)預(yù)警功能[7-10]。

3 節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能分析

將上述帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦，該煤礦的帶式輸送機相關(guān)參數(shù)為：輸送帶長度為1 840 m，寬度為2 200 mm，輸送帶運行最大速度為7 m/s，設(shè)備運行傾角為10°。輸送機一天運行時間約為21 h，一年工作時間約為300 d。對比控制系統(tǒng)改造前后電能損耗，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)改造后每天約節(jié)省電能2 865 kWh，以0.5 元/kWh 的費用進行計算，某煤礦一年節(jié)省的電費約為43 萬元。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段，煤炭井下生產(chǎn)已無法保證生產(chǎn)的滿負(fù)荷，使得井下帶式輸送機常處于半復(fù)雜或者空載狀態(tài)，造成了企業(yè)電能的極大浪費。針對這一現(xiàn)象，本文提出了基于模糊控制算法的帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計研究，通過研究分析本文得出了以下結(jié)論：

1）通過協(xié)調(diào)帶式輸送機運行帶速與運載量關(guān)系，可有效降低設(shè)備能源損耗，降低企業(yè)成本。

2）運用模糊控制的方法對帶式輸送機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造可有效降低設(shè)備電能損耗，經(jīng)系統(tǒng)節(jié)能分析，帶式輸送機節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)一年可為企業(yè)節(jié)省電費約43 萬元，符合節(jié)能設(shè)計要求。