帶式輸送機節能調速控制系統研究

楊引鎖

(山西焦煤西山煤電 山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200)

0 引言

帶式輸送機是一種較復雜的機械設備，廣泛應用于礦井、選煤廠、港口等領域。據統計，大多數帶式輸送機以最大載重為參考的恒速方式運行，即帶式輸送機輕載、空載時，也按照額定速度運行，這樣不僅加劇了機械磨損，而且會出現“大馬拉小車”的現象，造成電能的巨大浪費。據統計，全國近8 000座礦井，每年電能消耗近200億kW·h，如果將節能調速控制技術應用與帶式輸送機的控制系統，每年至少可節約電能50億kW·h[1]。另外，采用恒速運行的帶式輸送機的生產效率只有40%左右，采用節能調速控制系統，可較大提高其生產效率。

由于帶式輸送機巨大的耗電量和極低的生產效率，國內外學者在保證其安全、穩定運行的前提下，研究節能調速控制技術并將其成果應用于帶式輸送機的生產實踐。國外在研究帶式輸送機變頻控制的基礎上，進一步對運行狀態進行動態分析和智能監控，建立數學模型，優化變頻調速控制系統。國內學者借鑒國外研究成果，逐漸將PID控制技術、模糊控制技術以及神經網絡控制技術應用于帶式輸送機變頻調速系統控制方案，并在多個礦井進行工業試驗[2-4]。以帶式輸送機為研究對象，采用模糊控制技術，根據生產實際工況，提出3種調速方案，對節能效果進行分析并完成工業試驗。

1 系統組成

帶式輸送機節能調速系統如圖1所示，由控制單元、執行單元以及檢測單元3部分組成，檢測單元以傳感器檢測模式獲取帶式輸送機實時狀態參數，傳送給控制單元。控制單元中的PLC控制器對獲取的數據進行解析并進行邏輯處理，驅動執行單元中的主變頻器/從變頻器對主電動機/從電動機進行轉矩/轉速控制，保證帶式輸送機能夠根據實際工況機進行速度動態調整。

圖1 帶式輸送機節能調速系統組成

PLC控制器可以通過CAN、CanOpen、Profibus-DP等多種方式與變頻器進行通信，并控制變頻器的頻率和電壓，進而動態調節電動機轉速。在PLC控制器中實現模糊決策帶速給定策略，實現帶式輸送機節能調速。

2 方案設計

2.1 基本理論依據

設計并實現的節能調速系統中用到的基本理論有模糊控制原理以及變頻調速原理。模糊控制器將誤差和誤差變化率轉換為控制器可接受的數值，并根據已建立的數據庫和知識庫完成邏輯推理，并將推理結果應用于控制對象。設計中，將載重、煤倉煤位、載重變化率以及給煤量變化率作為模糊決策控制器輸入參數，根據模糊決策規則表進行邏輯推理后，生成實時給定帶速，傳送給變頻調速裝置。

帶式輸送機機頭、機尾電動機為三相異步電動機，其轉速為：

(1)

式中，p為電動機繞組磁極對數;s為電動機轉差率;f1為頻率。

在式(1)中，p與s為常數，即電動機轉速與頻率成正比例關系[5]。

PLC控制器以傳感器獲取的帶式輸送機的實時參數為依據，根據模糊決策規則，控制變頻器的運行頻率，進而實時調節電動機轉速。

2.2 調速方案設計

2.2.1 調速方案1

以帶式輸送機的載重為輸入參數，帶速為輸出參數，并將其參數各劃分為6個區間，控制流程如圖2所示，即根據載重值，控制給定速度，其中M為帶式輸送機的最大載重值，v為帶速最大值。

圖2 調速方案1控制流程

2.2.2 調速方案2

該調速方案針對無煤倉配置的帶式輸送機為對象，以載重和載重變化率為輸入參數，帶速為輸出參數,設計模糊控制系統。該調速方案2的模糊控制規則見表1。針對帶式輸送機節能控制系統的輸入值，對其進行模糊化后，得到模糊控制系統的送入值，根據知識庫的規則信息，模糊推理出模糊化的輸出值，最后根據比例轉換因子清晰化為實際值，即表2 帶速查詢表所示。

表1 模糊控制ev值

表2 帶速ev查詢表

調速方案2中，確定模糊控制規則和帶速查詢表為核心，將載重、載重變化率模糊化后，查詢表2可得速度值X(X∈{0,1,2,3,4,5,6})，將該速度值除以量化因子Kv，即可得帶式輸送機帶速[6]。

2.2.3 調速方案3

該調速方案針對有煤倉配置的帶式輸送機為對象，以載重和煤倉煤量為輸入參數，帶速為輸出參數設計模糊控制系統。該調速方案的模糊控制規則以及帶速查詢見表1以及表2所示。將載重以及煤倉煤量模糊化后，可得帶式輸送機帶速實時值，該方案的控制流程見圖3所示。

圖3 調速方案3控制流程

2.3 軟件實現

所設計的帶式輸送機節能調速控制系統的軟件編寫在PLC控制器中完成，采用ST語言實現，具體軟件流程見圖4所示。

圖4 PLC節能調速控制流程

根據調速方案2、3的模糊控制規則以及帶速查詢表，將其內容寫入PLC控制器的M存儲區，將調速方案的載重、載重變化率、煤倉煤位以及比例因子等參數寫入PLC控制器的V存儲區。PLC控制器每10 ms輪詢一次，當采樣時間到達時，判斷載重m、煤倉煤位q是否越界。采集到輸入參數沒有越界時，將其寫入PLC控制器的臨時存儲區，并選擇帶式輸送機的運行方式，可選擇調速方案1/2/3以及恒速運行。當煤倉煤量保持為0時，選擇調速方案2，否則，選擇調速方案3。

3 節能效果分析

以西山煤電集團某礦的主運帶式輸送機為例分析所設計的3種節能調速方案應用效果。該帶式輸送機的主要參數為：傾角β為10°，帶式輸送機長度L為1 830 m，帶寬2 100 mm，最大帶速6 m/s，每年工作300 d，每天工作20 h，[0,M/6]區間內工作t1為2 h，[M/6,2M/6]區間內工作t2為3 h，[2M/6,3M/6]區間內工作t3為4 h，[3M/6,4M/6]區間內工作t4為4 h，[4M/6,5M/6]區間內工作t5為3 h，[5M/6,6M/6]區間內工作t6為4 h。電動機功率K1為1.4，電動機啟動方式系數K2為1，阻力系數K為0.08，W為1.3，m1為25.6 kg/m，m2為9.6 kg/m，q0為126 kg/m。

μ1=K1K2WL(m1+m2+2q0cosβ)

(2)

μ2=K1K2KWLcosβ

(3)

調速方案1節能分析：

(4)

可得W≈2 082 kW·h，以每度電0.5元計算，年節約電費31.2萬元。

調速方案2節能分析：

(5)

可得W≈2 865 kW·h，以每度電0.5元計算，年節約電費43萬元。

調速方案3節能分析:

調速方案3的節能效果與調速方案2的節能效果相同，區別為q0增大時，節能效果減弱，減小時，節能效果增強。

上述分析可知，調速方案2以及3的節能效果優于調速方案1。

4 結語

針對帶式輸送機的不同運行工況提出的3種節能調速方案，在區間控制、模糊決策方面都依賴于理論研究，在后續的工作中，應采集大量帶式輸送機運行數據作為模糊決策控制依據。工業試驗結果表明，所設計節能調速方案能夠保證帶式輸送機運行安全、穩定的前提下，達到節能降耗的目的，有較好的經濟效益。