煤礦帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制方法研究

高沛林， 苗鑫， 楊方

（1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

0 引言

帶式輸送機以其輸送能力強、輸送距離長、可靠性高和易于集中控制的優(yōu)勢，已經(jīng)成為煤礦高效生產(chǎn)的主要運輸設備[1]。由于煤炭生產(chǎn)的不連續(xù)性，使帶式輸送機常常處于空載、輕載及很少達到滿載的運行狀態(tài)，造成電能浪費，同時加劇了設備磨損[2]。解決這些問題的主要方法是根據(jù)檢測到的帶式輸送機載荷對帶速進行調節(jié)控制，實現(xiàn)“煤多快拉、煤少慢拉”，達到節(jié)能和提高運行效率的目的。目前，許多學者對帶式輸送機調速節(jié)能控制方法做了大量研究。文獻[3]通過檢測驅動電動機負載電流得到負荷大小，從而實現(xiàn)對2部帶式輸送機的自適應調速控制。文獻[4]建立了以煤流量、帶速和能耗為變量的節(jié)能模型，利用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡對模型參數(shù)進行優(yōu)化，得到了煤流量和帶速的最優(yōu)匹配關系，利用模糊控制器實現(xiàn)對2部帶式輸送機的節(jié)能調速控制。文獻[5]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡構建了由煤流量、帶速和總功率構成的節(jié)能優(yōu)化模型，提出了基于變頻調速的帶式輸送機節(jié)能控制策略，實現(xiàn)了對單部帶式輸送機的優(yōu)化控制。文獻[6]針對煤流量信息滯后問題，利用狀態(tài)觀測器估計輸送帶張力的變化率和煤流量信息，建立了煤量識別系統(tǒng)，應用模糊推理得到了煤流量與優(yōu)化帶速的匹配關系， 給出了合理的帶速，解決了因煤流量檢測信號與實時煤量信息不同步導致的帶式輸送機無法及時提速引發(fā)堆煤或溢煤的問題。文獻[7]通過載荷檢測獲取帶式輸送機的整體載荷和物料分布情況，實現(xiàn)了多級串聯(lián)帶式輸送機順煤流啟動。但目前的方法很少考慮帶式輸送機之間煤流上下游接續(xù)關系、煤流量傳感器安裝位置、檢測誤差、信息滯后及帶速改變過程中的時序關系等對帶式輸送機調速的影響。針對上述問題，本文分析了帶式輸送機驅動功率與運行阻力和帶速之間的關系，得出了最優(yōu)節(jié)能運行條件和最佳節(jié)電率。根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運行條件和物料平衡關系，綜合考慮煤流接續(xù)、煤流量檢測及帶速改變等因素，提出了一種帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制方法。將該方法應用于陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司（以下簡稱檸條塔煤礦）101號主提升帶式輸送機控制中，取得了滿意的效果，證明了該方法的可靠性。

1 帶式輸送機最優(yōu)節(jié)能運行條件與最佳節(jié)電率

在長距離帶式輸送機穩(wěn)定運行時，當忽略次要阻力時，其運行阻力可以近似表示為[8]

式中：C為附加阻力系數(shù)；FH和FSt分別為帶式輸送機的主要阻力和傾斜阻力；f為摩擦因數(shù)；L為帶式輸送機長度；g為重力加速度，g=9.81m/s2；qRO和qRU分別為上下托輥轉動部分每米長度質量；qB為輸送帶每米長度質量；β為帶式輸送機安裝傾斜角度；qG為輸送帶每米運送的物料質量；H為帶式輸送機垂直高差；FUK為空載阻力；A為物料阻力系數(shù)。

由于生產(chǎn)因素的影響，qG在0～qGN（輸送帶每米運送物料質量的額定值）之間變化，則帶式輸送機上物料的填充率可以定義為

將式（2）代入式（1），得

式中α為常數(shù)， α =AqGN。

根據(jù)帶式輸送機驅動功率與驅動力和運行速度之間的關系，當帶式輸送機勻速運行時，驅動滾筒所需的功率為

式中v為帶速。

可見，在運行阻力不變的條件下，降低帶式輸送機帶速可減小帶式輸送機驅動功率。

帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制就是在不影響運輸生產(chǎn)的前提下，使驅動功率最小。則目標函數(shù)為

實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能控制就是通過調節(jié)帶式輸送機帶速，使其在滿載（ γ =100%）狀態(tài)下以最小帶速（vmin）運行，此時驅動功率最小。

設帶式輸送機在不同填充率 γj（ γj為第j次獲取的填充率，j=1,2, ···,r，r為獲取次數(shù)）下以額定帶速vN運行時的最大驅動功率為PGT.max，改變帶速使帶式輸送機以最優(yōu)節(jié)能方式運行時的驅動功率為PGT.min，定義這2個驅動功率之差與最大驅動功率之比為不同填充率 γj下的最佳節(jié)電率，即

式中 λj.max為不同填充率下的最佳節(jié)電率。

2 最優(yōu)控制帶速確定

在實際運輸系統(tǒng)中，帶式輸送機之間均以串聯(lián)接續(xù)的方式進行煤炭運送，任一部帶式輸送機的填充率和帶速的改變都會影響下游帶式輸送機的填充率和帶速。運輸系統(tǒng)中帶式輸送機單入串聯(lián)接續(xù)如圖1所示。qi?1，vi?1和qi，vi分別為i?1號（上游）和i號（下游）帶式輸送機的實時煤流量（每米輸送帶上的煤炭質量）和帶速，當運輸系統(tǒng)運行時，上游帶式輸送機上的來煤就落入下游帶式輸送機上，構成串聯(lián)接續(xù)關系。

圖1 帶式輸送機單入串聯(lián)接續(xù)Fig.1 Single input series connection of belt conveyor

設i?1號和i號帶式輸送機的額定煤流量分別為q(i?1)N和qiN， 根 據(jù)物料平衡關系（即qivi=γiqiNvi=qi?1vi?1= γi?1q(i?1)Nvi?1），可得i號帶式輸送機帶速：

式中：w(i?1)i為上游帶式輸送機相對于下游帶式輸送機的運能系數(shù)，w(i?1)i=q(i?1)N/qiN； γi?1， γi分別為i?1號（上游）和i號（下游）帶式輸送機的填充率。

根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運行條件，由式（7）可得

式中vimin為i號帶式輸送機填充率為1時的最小帶速。

由于煤炭的散料特性，為了避免帶速變化引起的溢煤或堆煤事故，帶速不能連續(xù)調節(jié)，只能以臺階式變化。為此引入帶速控制系數(shù)ki（ki=vi/viN，viN為i號帶式輸送機的額定帶速）。結合式（8）可得i號帶式輸送機的最優(yōu)帶速控制系數(shù)：

式中ki?1，v(i?1)N分別為i?1號帶式輸送機帶速控制系數(shù)和額定帶速。

帶式輸送機雙入串聯(lián)接續(xù)如圖2所示，當運輸系統(tǒng)運行時，上游帶式輸送機（1號、2號）的來煤就落入下游帶式輸送機，構成雙入串聯(lián)接續(xù)關系。

圖2 帶式輸送機雙入串聯(lián)接續(xù)Fig.2 Dual input series connection of belt conveyor

設上游1號、2號帶式輸送機額定煤流量、填充率、帶速分別為q(i?1)1N和q(i?1)2N、 γ(i?1)1和 γ(i?1)2、v(i?1)1和v(i?1)2，由物料平衡關系（即γiqiNvi= γ(i?1)1q(i?1)1Nv(i?1)1+γ(i?1)2q(i?1)2Nv(i?1)2），可得最優(yōu)節(jié)能運行條件下的帶速：

式中w(i?1)1i,w(i?1)2i分別為上游1號、2號帶式輸送機相對于i號帶式輸送機的運能系數(shù)，w(i?1)1i=q(i?1)1N/qiN，w(i?1)2i=q(i?1)2N/qiN。

若v(i?1)1N=v(i?1)2N=v(i?1)N（v(i?1)1N，v(i?1)2N分 別 為 上游1號、2號帶式輸送機額定帶速，v(i?1)N為上游帶式輸送機額定帶速），由式（10）可得i號帶式輸送機的最優(yōu)帶速控制系數(shù)：

式中k(i?1)1，k(i?1)2分別為上游1號、2號帶式輸送機帶速控制系數(shù)。

3 節(jié)能優(yōu)化控制方法

根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運行條件和物料平衡關系，可得最優(yōu)節(jié)能控制條件下帶式輸送機的最優(yōu)控制帶速給定值。但受煤炭的散料特性、帶式輸送機上下游接續(xù)、煤流量傳感器安裝位置造成的信息滯后、檢測誤差及帶速改化過程中的時序關系等因素的影響，帶式輸送機不可能以最優(yōu)控制帶速（vimin）運行，否則，會造成溢煤或堆煤事故。為了實現(xiàn)調速過程中煤流平穩(wěn)接續(xù)，根據(jù)帶式輸送機最優(yōu)節(jié)能運行條件，并考慮上述因素，以i號帶式輸送機為例，研究帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制方法的實現(xiàn)。

3.1 煤流量信息檢測

設上游（i?1號）帶式輸送機的煤流量傳感器安裝位置距機頭距離為li?1，其帶速為vi?1，煤流量信息檢測如圖3所示。

圖3 煤流量信息檢測Fig.3 Coal flow information detection

設煤流量傳感器讀取數(shù)據(jù)的時間為t，從t0時刻開始讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過 Δt（t0?tY?1時刻，Y為煤流量傳感器讀取的實時數(shù)據(jù)個數(shù)）時段，t0時刻檢測的煤流（數(shù)據(jù)）到達機頭，則在 [t0,tY?1]區(qū)間內i?1號帶式輸送機的煤流量與填充率的關系如圖4（圖中 γˉi?1為i?1號帶式輸送機的平均填充率）所示，表達式如下：

圖4 煤流量檢測時序Fig.4 Timing sequence of coal flow detection

在 Δt時段內，設煤流量傳感器讀取了Y個實時數(shù)據(jù)，則i?1號帶式輸送機上煤流量的實時數(shù)據(jù)集合為

式中qi?1(tx)為i?1號帶式輸送機在任意時刻tx的煤流量，x=0,1, ···,M?1,···,Y?1（M為任意時刻采集的數(shù)據(jù)個數(shù)）。

在運輸系統(tǒng)運行時，集合Gi?1中的Y個數(shù)據(jù)是不斷刷新的。為了消除檢測干擾，求取M個數(shù)據(jù)的平均值（濾波），即以平均填充率 γˉi?1作為下游帶式輸送機帶速改變的依據(jù)。

3.2 優(yōu)化控制給定帶速與帶速改變時序確定

為了防止溢煤或堆煤事故，帶速不能連續(xù)變化，即最優(yōu)帶速控制系數(shù)kimin必 須為離散值。假設kimin的集合K={1.0,0.8,0.6,0.4,0.2}，所對應的區(qū)間分別為[1.0,0.8)、[0.8,0.6)、[0.6,0.4)、[0.4,0.2)和[0.2,0]。對于帶式輸送機單入和雙入串聯(lián)接續(xù)方式，可根據(jù)式（9）和式（11）分別求出最優(yōu)帶速控制系數(shù)kimin，判斷其落入的區(qū)間，并取該區(qū)間的上限值作為優(yōu)化帶速控制系數(shù)ki， 進而求出給定帶速vGi=kiviN。

考慮帶式輸送機的動態(tài)特性[9-10]，其帶速的改變分為加速（啟動）或減速（制動）過程，帶速變化表達式為

式中：v01和v02為原有帶速； Δv1和 Δv2為 帶 速 改 變 量；T1和T2為加速與減速段時長。

考慮到煤流檢測信息的滯后性，為了避免由于帶速改變引起的溢煤或堆煤事故，實現(xiàn)煤流平穩(wěn)接續(xù)，啟動過程必須超前，制動過程必須滯后；同時依照設定的帶速控制系數(shù)ki，得到在加速與減速過程中給定帶速（控制系數(shù)）的曲線，如圖5所示。圖中Δt11，Δt12， Δt13， Δt14分別為加速過程中的檢測濾波時段、延時時段、加速時段和安全延時時段； Δt21， Δt22，Δt23，Δt24分別為減速過程中的檢測濾波時段、延時時段、安全延時時段和減速時段。

圖5 煤流平穩(wěn)接續(xù)的給定帶速Fig.5 Given belt velocity of smooth connection of coal flow

3.3 最優(yōu)節(jié)能控制方法

根據(jù)上述分析，運輸系統(tǒng)中i號帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制流程如圖6所示。

圖6 帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制流程Fig.6 Flow of energy saving optimized control for belt conveyor

初始化是輸入基本參數(shù)，如煤流量、帶速、運能系數(shù)及帶速控制系數(shù)與其區(qū)間等；系統(tǒng)依次啟動，在i?1號帶式輸送機啟動結束后順序啟動延時，延時結束后采集各參數(shù)并讀取數(shù)據(jù)，計算并確定i號帶式輸送機的給定帶速vGi和各時段延時；若為初始啟動則根據(jù)給定帶速和延時進入啟動過程，否則將給定帶速與當前實時帶速進行比較，若相等則速度不變，否則延時不變，延時到則分別進入加速或減速過程，并將得到的給定帶速送入i號帶式輸送機帶速控制單元，對i號帶式輸送機進行帶速調節(jié)，運輸系統(tǒng)停車前依次循環(huán)。

4 實驗與應用

4.1 帶式輸送機最優(yōu)節(jié)能實驗

為了檢驗帶式輸送機在最優(yōu)節(jié)能運行條件下的最佳節(jié)電率，搭建了由變頻器、功率分析儀、變頻電動機、轉矩傳感器和磁粉制動器組成的帶式輸送機模擬節(jié)能實驗平臺，如圖7所示。

圖7 帶式輸送機模擬節(jié)能實驗平臺Fig.7 Simulation energy-saving experimental platform of belt conveyor

變 頻 器 型 號 為 DCS550?01?12A?4（5.5 kW），功率分析儀型號為PA3000，變頻電動機型號為YZP132M2?6（功率為 3.7 kW 和轉速為 912 r/min），轉矩傳感器型號為ZJ?100，磁粉制動器型號為CZ?5（力矩為 0～50 N·m，可調）。

根據(jù)文獻[11-12]的數(shù)據(jù)，計算出帶式輸送機空載阻力與額定運行阻力的比值分別為21.9%、20.3%和29.7%，為了模擬實驗計算方便，本文設帶式輸送機空載阻力與額定運行阻力的比值為25%，由式（3）和式（4）可得驅動電動機負載率與填充率的關系：

式中： ρ 為驅動電動機負載率；PGTN為帶式輸送機額定驅動功率；FUN為帶式輸送機額定運行阻力。

設填充率 γ 分別為 0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，由式（16）求出對應的負載率并通過磁粉制動器加載，取轉速n的控制系數(shù)依次為 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，分別記錄在不同填充率和不同轉速下電動機的驅動功率，見表1。其中nN為電動機額定轉速，nN對應列數(shù)據(jù)為不同填充率下非節(jié)能運行模式下電動機的驅動功率，對角數(shù)據(jù)（粗體）為最優(yōu)運行狀態(tài)下電動機的驅動功率，右下角部分（斜體）為不允許出現(xiàn)的溢煤狀態(tài)下的電動機驅動功率。

由式（6）和表1中的數(shù)據(jù)可計算出不同填充率下的最佳節(jié)電率，見表2。由表2可看出，帶式輸送機在最優(yōu)節(jié)能運行條件下的最佳節(jié)電率為20.9%～76.5%。但是，在實際運輸系統(tǒng)中，由于帶速不能連續(xù)調節(jié)，所以不可能達到最優(yōu)運行工況。

表1 不同填充率和轉速下的電動機驅動功率Table 1 Driving powers of motor at different filling rate and rotate speed

表2 不同填充率下的最佳節(jié)電率Table 2 Optimal power saving rate under different filling rate

4.2 檸條塔煤礦主提升帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制

檸條塔煤礦主運輸系統(tǒng)結構如圖8所示。其中1 號?4 號帶式輸送機分別為北翼 N3?1、南翼 S3?1、主提升101號和棧橋102號帶式輸送機，基本參數(shù)見表3。1號、2號帶式輸送機以雙入串聯(lián)接續(xù)方式將煤炭送入3號帶式輸送機，3號和4號帶式輸送機為單入串聯(lián)接續(xù)方式。

圖8 檸條塔煤礦主運輸系統(tǒng)Fig.8 Main transportation system of Ningtiaota Coal Mine

表3 帶式輸送機基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of belt conveyors

下面以3號帶式輸送機為對象對其進行節(jié)能優(yōu)化控制應用。設計了檸條塔煤礦主提升帶式輸送機優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)，其硬件平臺利用已有的膠帶運輸集中控制系統(tǒng)[13]，即基于工業(yè)以太網(wǎng)的AB Controllogix1756 系列 PLC系統(tǒng)。1號?3號帶式輸送機的煤流量和帶速檢測選用ICS?ST型礦用電子膠帶秤，煤流量和帶速信息通過各自連接的PLC控制分站、以太網(wǎng)交換機和環(huán)網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)服務器和控制主機，控制主機通過數(shù)據(jù)處理，計算出給定帶速，將給定帶速信息送至3號帶式輸送機的控制分站，調速控制采用PID控制算法。

設1號和2號帶式輸送機以額定帶速運行，其帶速控制系數(shù)k1=k2=1；由表3參數(shù)和式（11）可得3號帶式輸送機的最優(yōu)帶速控制系數(shù)k3min=0.75×（γ1+γ2）×1×1=0.75γ12，然后判斷其落入集合K所對應的區(qū)間，并取上限值作為最優(yōu)帶速控制系數(shù)k3，得到3號帶式輸送機給定帶速vG3=4k3。

根據(jù)文獻[13]，3號帶式輸送機的全速啟動時長為 50 s,設全速停車時長也為 50 s，因為離散帶速被劃分為5級，則每一級時長為10 s，由此可計算出不同加速或減速時段的時長 Δt13和 Δt24。

由l1=l2=300m，可得 Δt=75s；設帶速控制周期為200 ms，取式（13）中的M=60，得 Δt1=12s，可以計算出加速與減速過程各時段的時長，表4分別給出了1個加速和減速過程接續(xù)時段的數(shù)據(jù)。加速和減速過程中原有帶速分別為 0.8 m/s和 3.2 m/s，根據(jù)上游1號、2號帶式輸送機的煤流量信息，需要將3號帶式輸送機帶速分別增大或減小到3.2 m/s或2.4 m/s。

表4 加速與減速過程接續(xù)時段Table 4 Connection time interval in acceleration and deceleration process

在主提升帶式輸送機優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)硬件平臺基礎上，根據(jù)圖6的控制流程和實際參數(shù)完成3號帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件的編程與調試，實現(xiàn)了根據(jù)上游1號和2號帶式輸送機的實時煤流量和帶速信息對3號帶式輸送機進行調速節(jié)能優(yōu)化控制與煤流的平穩(wěn)接續(xù)。對3號帶式輸送機在非節(jié)能和節(jié)能優(yōu)化控制2種運行模式及不同填充率下的驅動功率進行統(tǒng)計，結果見表5。表中為節(jié)能優(yōu)化控制下的驅動功率。

表5 不同工況下驅動功率統(tǒng)計Table 5 Powers statistics under different working conditions

在表5中，當3號帶式輸送機空載（ γ3=0，vG3=0.8m/s）時，節(jié)電率為62.9%；在不同填充率區(qū)間和對應的優(yōu)化帶速控制條件下，節(jié)電率為9.1%～43.9%。運行結果表明，本文提出的節(jié)能優(yōu)化控制方法實現(xiàn)了煤流的平穩(wěn)接續(xù)，節(jié)能效果明顯。

5 結論

（1） 從帶式輸送機的運行阻力出發(fā)，可得其驅動功率與運送物料的填充率和帶速有關，最優(yōu)節(jié)能控制目標是調節(jié)帶速，使帶式輸送機在滿載狀態(tài)下以最小帶速運行，此時驅動功率最小，由此可獲得節(jié)能優(yōu)化控制的最佳節(jié)電率。利用搭建的帶式輸送機模擬節(jié)能實驗平臺，實驗得出帶式輸送機的最佳節(jié)電率為20.9%～76.5%。

（2） 根據(jù)最優(yōu)節(jié)能運行條件、帶式輸送機上下游接續(xù)方式與物料平衡關系、額定運輸質量與額定帶速，推導得出帶式輸送機最優(yōu)節(jié)能控制條件下的最小帶速與最優(yōu)帶速控制系數(shù)；考慮煤流量傳感器安裝位置、檢測誤差、信息滯后及帶速改變過程中的時序關系等因素，提出了一種帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制方法。該方法根據(jù)上游帶式輸送機的煤流量，計算得出最優(yōu)節(jié)能控制條件下下游帶式輸送機優(yōu)化節(jié)能控制的給定帶速變化曲線，由此可實現(xiàn)下游帶式輸送機帶速調節(jié)。

（3） 帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化控制方法已應用于檸條塔煤礦101號主提升帶式輸送機控制中，實現(xiàn)了對帶式輸送機的優(yōu)化節(jié)能控制，節(jié)能效果明顯，節(jié)電率為9.1%～43.9%。