帶式輸送機煤炭輸送動態節能控制系統的設計及應用

寧偉勝

（晉能控股煤業集團四臺礦電氣隊， 山西 大同 037000）

引言

當前，隨著經濟的不斷發展，煤炭、冶金、港口、建材、化工等行業都采用帶式輸送機作為重要輸送工具[1]。我國煤炭生產中帶式輸送機耗能巨大，在節能減排戰略要求下，如何向企業內部發掘潛力，降低企業生產成本，具有重要意義。很多煤炭企業將帶式輸送機的節能改進工作作為重要項目進行研究[2]。

本文針對帶式輸送機運行過程中遇到的問題，通過對帶式輸送機功率損耗分析，優化了設備起動過程，找到了運行速度與過煤量的關系，提出建立以TDFMD PID 模型控制的帶式輸送機輸送動態節能控制系統，并對該系統軟硬件進行了配置說明，使用Matlab 進行了仿真模擬，結果表明該系統可以實現優化的動態節能控制。

1 帶式輸送機結構原理及工作節能分析

1.1 帶式輸送機結構原理

帶式輸送機是一套靠摩擦驅動并連續輸送物料的機電系統，其結構主要包括電機、輸送帶、減速器、滾筒、托輥及支架、拉緊裝置、保護裝置等[3]。輸送帶重要的部件主要由橡膠、鋼絲等，起到運輸過程中的牽引和承載作用，輸送帶起動和運行時的力學性能主要表現為非線性、滯后性。

其中電機、減速器、滾筒為輸送帶提供動力，拉緊裝置為輸送帶提供預緊張力，滾筒和輸送帶之間的摩擦力帶動輸送帶運動。

1.2 帶式輸送機工作節能分析

煤礦所使用的帶式輸送機是根據最大生產需求和最大運送能力來選擇，它的電機、減速器、輸送帶均以工頻運行，一般輸送帶的運行速度是恒定的。實際生產中，煤炭的生產量并不均衡，輸送帶的過煤量也有很大不同，經常出現空載或低載的現象[4]，但輸送帶仍然按照原有速度運行，整個帶式輸送機系統的效率低下，浪費電能，同時也影響設備的使用壽命。通過分析減少輸送帶、滾筒、托輥等在運行中的阻力來降低其所耗費的功率作為節能的研究重點。分析找出與功率相關的參數有阻力系數、輸送帶長度、輸送帶線密度、托輥的線密度、輸送機運行的傾角、過煤量、輸送帶速度等[5]，對于已在使用的帶式輸送機，除了過煤量和輸送速度以外的其他影響因素都是固定的，是由煤炭生產需求決定。

通過優化進一步找出過煤量和輸送速度的匹配關系，如圖1 所示，通過按照過煤量來調節輸送速度，用以適用運煤量小時，輸送速度相應變低，從而達到節能效果。

圖1 帶式輸送機輸送速度與過煤量的匹配關系

2 帶式輸送機煤炭輸送動態節能控制系統設計

帶式輸送機輸送能力的提高，對控制系統的品質具有較高的要求，對控制器的設計選用也具有更高的要求。

對帶式輸送機工作節能的分析并結合現有的驅動裝置類型，交流變頻調速裝置是一種工作效率高、投資性價比高的調速裝置，能夠根據過煤量的大小對輸送帶速度進行調節，顯著提高帶式輸送機的運行效率。由于整個煤炭運輸系統的動態特性復雜多變，影響因素很多，因此采用TDFMD PID 控制算法應用在變頻調速系統中（如下頁圖2 所示），整個系統主要部件有變頻器、給料機、輸送帶、PLC、測速傳感器、稱重傳感器、上位機等。系統使用PLC 對輸送帶速度進行閉環控制調節[6]，PLC 還會處理上位機的信號，實現上位機控制調速。電子皮帶秤安裝在給料機口，測速傳感器和稱重傳感器分別將將測到的輸送帶速度和過煤量傳遞給PLC，再根據過煤量和輸送帶速度的匹配關系確定輸送帶速度[7]，利用匹配速度與實際速度的偏差進行PID 控制運算，輸出調節電信號至變頻器，控制電機運行。

圖2 變頻調速控制系統示意圖

進行系統的設計中，需要對參數的調整滿足抗干擾及目標跟蹤兩種要求，常規的PID 控制器只能滿足一種特性，為單自由度控制器，采用二自由度的PID控制設計，實現對兩種特性的要求，提高控制的精度及品質[8]。

針對帶式輸送機在控制過程中存在的控制精度不足及抗干擾能力較弱的問題，將反饋補償型的二自由度控制器與模型驅動的PID 控制方式相結合，設計為變頻調速控制系統中的控制器TDFMD PID 策略，其工作原理如圖3 所示[9]。控制策略上主要由被控對象G0（s）、控制器Gc（s）、濾波器Gf（s）構成。實際控制過程中P（s）通過選擇合理的補償F（s），再加上Gc（s）和Gf（s）一起消去了系統中的1 個零點和1 個極點，從而使G0（s）補償為穩態誤差為零的一階控制系統[10]，這一措施改善了控制系統的響應能力，也提高了抗干擾能力。

圖3 變頻調速控制系統PID 控制策略原理

3 帶式輸送機煤炭輸送動態節能控制系統的仿真研究

帶式輸送機的調速系統是龐大復雜的系統，對所設計的二自由度PID 控制方式進行仿真分析，對比與常規PID 及模糊PID 控制的優缺點。采用數學分析方法對帶式輸送機煤炭輸送動態節能控制系統進行建模，通過Matlab 對其進行仿真研究。

設定系統的階躍響應為輸入信號，輸出信號采用信號示波器進行采集，采用TDFMD PID 控制器模糊自整定其系統。系統實際輸入輸送帶速度V 和根據過煤量確定的速度V0進行比較[11]，得到偏差值e，求得其變化率ec，并將其輸入控制器中，同時輸出三個隸屬度進行仿真[12]。

采用Simulink 對常規PID 控制、模糊PID 控制、TDFMD PID 控制進行仿真試驗，三者在參數變化30%狀態下的仿真曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，TDFMD PID 控制系統具有較強的穩定性和快速跟蹤能力。

圖4 被控對象在參數變化30%時的跟蹤性能曲線