礦井帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化與智能控制系統(tǒng)研究

魯歡

山西焦煤西山煤電斜溝礦 山西 興縣 035300

煤炭是我國重要的能源支柱，隨著供給側(cè)改革的推進(jìn)，節(jié)能減排逐漸成為煤炭發(fā)展的主流。對于帶式輸送機(jī)而言，因為運(yùn)行速度和物料承載的波動，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備損耗大。通過改變控制模式減低輸送機(jī)運(yùn)行過程中的工作阻力以降低能耗是有效的方法之一，但是在實際運(yùn)輸過程中，因為運(yùn)輸物料量的不穩(wěn)定性，很難確?？刂颇Ｊ娇梢赃m應(yīng)各種運(yùn)輸條件[1-5]。本文根據(jù)礦井實際運(yùn)輸環(huán)境，通過改變物料質(zhì)量調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)行速度，實現(xiàn)了各種工況下智能調(diào)速的目的，同時實現(xiàn)了節(jié)能目的，為帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析

礦用帶式輸送機(jī)往往根據(jù)礦井生產(chǎn)能力所確定，在額定功率下，電機(jī)在一定工頻下穩(wěn)定運(yùn)行，因此理想狀態(tài)下輸送機(jī)帶速是恒定的，在實際生產(chǎn)環(huán)境中，因為運(yùn)料量的不同和帶速運(yùn)行速度的波動，往往導(dǎo)致輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)行，長時間的負(fù)載運(yùn)行造成設(shè)備運(yùn)行效率低下，功耗大，為此對輸送機(jī)進(jìn)行功耗節(jié)能分析就顯得十分重要。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中阻力是造成能耗最重要的原因，現(xiàn)降工作阻力分為基本阻力、傾斜阻力、附加阻力和特殊阻力四種。

基本阻力是由托輥的運(yùn)行阻力、物料擠壓阻力、壓陷阻力和輸送機(jī)彎折阻力構(gòu)成。托輥運(yùn)行阻力是由裝置密封及運(yùn)行中軸承摩擦產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)速是重要的影響因素；此外運(yùn)行中物料與輸送機(jī)之間的摩擦力造成的擠壓阻力和壓陷阻力也是基本阻力的組成部分。

基本阻力計算公式如下：

式中，帶式輸送機(jī)承載段阻力系數(shù)為fi；輸送機(jī)長度為li，單位m；重力加速度為g，單位m/s2；承重線密度為qi，單位kg/m；物料線密度為q，單位kg/m；輸送機(jī)線密度為qd，單位kg/m；運(yùn)行線路傾角為βi，單位°。

對于傾斜阻力而言，主要是機(jī)頭機(jī)尾角度差造成，因此傾斜阻力的計算與帶式輸送機(jī)傾斜角度有關(guān)，可用以下公式計算：

對于附加阻力，主要由滾筒阻力、轉(zhuǎn)動阻力和落料阻力構(gòu)成，在運(yùn)料的過程中，物料在承載段會不斷消耗能量，消耗能量以阻力的形式表現(xiàn)，造成滾筒阻力和轉(zhuǎn)動阻力的出現(xiàn)，當(dāng)物料下落的角度、速度與輸送機(jī)運(yùn)行方向及速度有差異時，造成了落料阻力。

特殊阻力并不存在于所有的帶式輸送機(jī)上，一般是因為卸料裝置等所致，但是在長距離運(yùn)輸?shù)倪^程中，一般忽略特殊阻力的計算。

因此，對于帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中工作阻力的計算，主要通過以下公式獲得：

根據(jù)阻力計算公式，式中帶式輸送機(jī)承載段阻力系數(shù)為fi與輸送機(jī)運(yùn)行速度有關(guān)，其它參數(shù)則與功率因素有關(guān)，功率因素往往根據(jù)礦井生產(chǎn)所定，因此通過調(diào)節(jié)輸送機(jī)運(yùn)行速度減小運(yùn)行阻力。為此根據(jù)礦井帶式輸送機(jī)實際運(yùn)行狀況，對設(shè)備工況進(jìn)行分析，設(shè)備參數(shù)如下：輸送機(jī)運(yùn)量為1100t/h，皮帶運(yùn)行速度為3.2m/s，承重線密度q為20.5kg/m，運(yùn)行過程中皮帶阻力系數(shù)為0.023，通過改變皮帶運(yùn)行的速度，判斷設(shè)備運(yùn)行過程中能耗的變化，得到表1所示的結(jié)果。

表1 不同運(yùn)行速度下帶式輸送機(jī)能耗變化表

從表1可以看出，相同運(yùn)量下，隨著皮帶速度的增加，帶式輸送機(jī)能量損耗率增加明顯，雖然減小皮帶速度可以降低能量損耗率，但是卻增加了填充率，容易造成設(shè)備負(fù)載運(yùn)行，由此可見，為了實現(xiàn)節(jié)能的目的，適當(dāng)降低皮帶運(yùn)行速度是最佳的選擇，從實際生產(chǎn)經(jīng)驗來看，通過改變物料質(zhì)量調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)行速度是最佳的選擇。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)隨質(zhì)量變化調(diào)控皮帶運(yùn)行速度的目的，對節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行了總方案設(shè)計，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。系統(tǒng)流程如下，運(yùn)送物料經(jīng)過稱重傳感器進(jìn)行稱重，隨后將數(shù)據(jù)傳送至STM32F103單片機(jī)中，單片機(jī)將接受數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過輸出不同占比的PWM信號實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的控制。

圖1 節(jié)能控制系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)中，稱重傳感器是質(zhì)量檢測的重要手段，也是進(jìn)行后續(xù)速度調(diào)控的依據(jù)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)備的量程靈敏度為1mv/v，零點(diǎn)輸出誤差在0.1mv/v范圍內(nèi)；非線性量程電阻與重復(fù)性電阻一樣，值為0.05Ω；滯后絕緣電阻為0.05MΩ；測量精度在1g以內(nèi)。

2.2 節(jié)能控制軟件系統(tǒng)設(shè)計

節(jié)能控制軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于編程語言，利用C語言庫中的函數(shù)對系統(tǒng)功能進(jìn)行編寫。編寫程序功能包括系統(tǒng)構(gòu)架的初始化、信號采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及電機(jī)控制模塊。對于節(jié)能調(diào)速功能的實現(xiàn)主要通過稱重傳感器預(yù)設(shè)參數(shù)和實測參數(shù)的計算獲得，根據(jù)PWM信號實現(xiàn)對電機(jī)調(diào)速功能的實現(xiàn)。假定系統(tǒng)定時器的時鐘為75MHz，自動裝載值為900，則PWM信號輸出的頻率值為80Khz，PWM信號的輸出依據(jù)比較值CCRx確定。節(jié)能控制軟件系統(tǒng)運(yùn)行成功后，將編譯環(huán)境通過USB串口導(dǎo)入到STM32單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，通過循環(huán)語言對不同質(zhì)量的預(yù)設(shè)值進(jìn)行預(yù)定值比較，進(jìn)而輸出控制量，進(jìn)行調(diào)速操作。

3 實際運(yùn)行狀況分析

為了更直觀的得到調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能功能，對調(diào)速前和調(diào)速后功耗進(jìn)行了對比，得到表2所示的結(jié)果。

表2 不同工況下帶式輸送機(jī)功耗對比圖

從表2中可以看出，進(jìn)行節(jié)能調(diào)速后，帶式輸送機(jī)的功率明顯降低，假定在400t/h運(yùn)行時間為3h，600t/h運(yùn)行時間為5h，800t/h運(yùn)行時間為3h，1000t/h運(yùn)行時間為4h，則進(jìn)行節(jié)能調(diào)速后每天共可節(jié)約電能80.5kW·h，證明了此次節(jié)能調(diào)速的成功性。

4 結(jié)論

（1）通過對帶式輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析，得到輸送機(jī)運(yùn)行速度是造成能量損耗的主要原因，通過質(zhì)量調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)行速度實現(xiàn)節(jié)能是最佳選擇。

（2）在對節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案和軟件系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)上，對帶式輸送機(jī)實際運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，得到系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)控制的功能，滿足設(shè)計需求。

（3）對節(jié)能調(diào)速前后功率進(jìn)行分析對比，計算得到節(jié)能調(diào)速后每天可節(jié)約電能80.5kW·h，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。