基于PLC 模糊控制的帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化研究

岳曉輝

（汾西礦業(yè)集團(tuán)正旺煤業(yè)，山西 孝義 032300）

引言

目前，在全社會(huì)范圍內(nèi)開(kāi)展節(jié)能降耗及資源綜合利用工作日趨流行，煤礦企業(yè)作為能耗大戶，節(jié)能降耗工作也勢(shì)在必行。帶式輸送機(jī)作為能夠連續(xù)運(yùn)輸且適應(yīng)性極強(qiáng)的運(yùn)輸設(shè)備，在我國(guó)煤礦井上及井下的煤炭運(yùn)輸中應(yīng)用廣泛。由于煤礦生產(chǎn)及煤流運(yùn)輸?shù)牟痪庑?，帶式輸送機(jī)裝機(jī)時(shí)在功率及負(fù)載方面一般都留有較大的富裕系數(shù)，加之煤流在多數(shù)時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到滿載條件，造成設(shè)備的空載或低效運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅造成電能的無(wú)謂浪費(fèi)，還使設(shè)備過(guò)度磨損，無(wú)形中又增加了礦井的運(yùn)行成本[1-4]。文章在分析現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究輸送機(jī)運(yùn)行速度與煤流量的匹配關(guān)系，提出使用PLC 模糊控制原理，建立控制系統(tǒng)的硬件、軟件架構(gòu)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送機(jī)帶速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制需求。

1 煤流量與帶速匹配關(guān)系

影響帶式輸送機(jī)能耗的主要參數(shù)包括負(fù)載的煤流量及運(yùn)行速度。在煤流量保持不變時(shí)，輸送機(jī)功率與運(yùn)行速度成正比。因此，在能夠滿足輸送機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)力要求的前提下，應(yīng)盡可能降低運(yùn)行速度，從而降低能耗。具體為：當(dāng)輸送機(jī)上的煤流量Q為0，即設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)，將輸送機(jī)的運(yùn)行速度V 設(shè)定為0，但為避免因煤流量較小時(shí)輸送機(jī)頻繁停開(kāi)機(jī)，可設(shè)置一個(gè)最低運(yùn)行速度Vmin，同時(shí)，當(dāng)煤流量處于一個(gè)限值Qmin以下時(shí)，輸送機(jī)保持以最低速度Vmin運(yùn)行，當(dāng)煤流量超過(guò)Qmin時(shí)，為滿足運(yùn)力需求，輸送機(jī)逐漸提高運(yùn)行速度，變化關(guān)系如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度與煤流量關(guān)系圖

根據(jù)煤流量與帶速匹配關(guān)系，當(dāng)煤流量降低時(shí)，可通過(guò)控制系統(tǒng)，降低輸送機(jī)運(yùn)行速度，當(dāng)煤流量增大時(shí)，可隨時(shí)提高輸送機(jī)運(yùn)行速度，從而使煤流量與運(yùn)行速度達(dá)到一個(gè)最合理的匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

2 基于PLC 的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

模糊控制是基于模糊算法的語(yǔ)言變量和邏輯推理，對(duì)較為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化表述和控制，而不必建立精確的數(shù)學(xué)模型。其基本原理是將傳感器采集到的變量值，與給定的變量值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行模糊化處理，基于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模糊推理，得出清晰化的數(shù)字化信息，再將這些信息傳遞給被控制的對(duì)象，再通過(guò)傳感器對(duì)變量進(jìn)行調(diào)控，其工作原理如圖2 所示。

圖2 模糊控制器基本工作原理示意圖

由于帶式輸送機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)較為復(fù)雜，煤流量變化及動(dòng)態(tài)調(diào)速同樣也是不可精確化的變量，契合模糊控制的工作原理，從而將PLC 模糊控制原理引入了帶式輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)原理如下頁(yè)圖3 所示。通過(guò)PLC 模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)輸送機(jī)運(yùn)行速度與煤流量的匹配關(guān)系，假如在某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)煤流量Q0的運(yùn)行速度為V0，速度傳感器采集到的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度為V，通過(guò)模糊控制器的模糊處理，得出兩個(gè)速度之間的偏差，經(jīng)過(guò)PLC 變頻器，得出電機(jī)的輸出頻率f，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)控。

圖3 帶式輸送機(jī)PLC 模糊控制系統(tǒng)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主要模塊包括上位控制中心、PLC 控制系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及通信系統(tǒng)。其中，PLC 通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)與上位控制中心連接和通信，控制中心經(jīng)PLC 發(fā)出各項(xiàng)指令，PLC 再經(jīng)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，反向同樣可進(jìn)行信息回傳，達(dá)到監(jiān)控和系統(tǒng)保護(hù)的目的。系統(tǒng)首先可實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、六大保護(hù)、報(bào)表查詢和數(shù)據(jù)分析等功能。

在硬件設(shè)計(jì)方面，最核心的硬件選型為PLC 控制器，選用西門(mén)子品牌的6ES71 型PLC 變頻控制器，能夠滿足本系統(tǒng)功能需求。硬件部分還包括速度傳感器、電子秤、功率采集器、上位機(jī)、各項(xiàng)傳感器、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器等。在系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)好之后，需要一個(gè)系統(tǒng)的軟件將各大系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)通，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)預(yù)期功能?；谖鏖T(mén)子的WinCC 平臺(tái)設(shè)計(jì)并編譯本工業(yè)軟件，軟件包括系統(tǒng)管理、監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)管理三大系統(tǒng)，系統(tǒng)管理又包括用戶管理和值班管理兩項(xiàng)內(nèi)容，數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)查詢、故障記錄三項(xiàng)內(nèi)容，監(jiān)控界面又可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)查詢、綜合保護(hù)狀態(tài)查詢、趨勢(shì)曲線生成及查詢等功能，具備良好的人機(jī)交互性。

3 工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

利用停產(chǎn)檢修時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)的方案在礦井主運(yùn)輸皮帶上進(jìn)行控制系統(tǒng)改造。輸送機(jī)長(zhǎng)1 600 m，帶寬1.2 m，額定運(yùn)力為800 t/h，使用3 臺(tái)250 kW 電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在控制系統(tǒng)改造前，按照全年生產(chǎn)300 d，每天工作18 h 計(jì)算，全年理論用電量高達(dá)40.5 萬(wàn)kW·h。實(shí)施PLC 模糊控制改造后，電機(jī)運(yùn)行改為變頻驅(qū)動(dòng)，平均運(yùn)行功率由3 臺(tái)電機(jī)的750 kW 降為平均550 kW，年用電量降為29.7 萬(wàn)kW·h，電量消耗降幅達(dá)到27%，可節(jié)約電費(fèi)70 萬(wàn)余元。同時(shí)，設(shè)備原來(lái)無(wú)論煤流量大小，均以恒定的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，由于實(shí)施了變頻控制改造，當(dāng)煤流量減小時(shí)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度動(dòng)態(tài)降低，無(wú)形中降低了設(shè)備的機(jī)械磨損，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，僅主運(yùn)輸皮帶的配件費(fèi)一項(xiàng)，每年就可節(jié)約14 萬(wàn)余元的費(fèi)用，大大降低了設(shè)備損耗，提高了運(yùn)行可靠性及設(shè)備壽命。

4 結(jié)論

1）在對(duì)輸送機(jī)煤流量與帶速匹配關(guān)系進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，指出煤流量與運(yùn)行速度達(dá)到一個(gè)最合理的匹配關(guān)系時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，并得出了基本的帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度與煤流量關(guān)系曲線。

2）基于模糊算法理論和輸送機(jī)控制的非精確性特點(diǎn)，提出了模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)PLC 模糊控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)功能、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等進(jìn)行細(xì)化研究。

3）對(duì)帶式輸送機(jī)PLC 模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，即在礦井主運(yùn)輸皮帶上實(shí)施了控制系統(tǒng)改造，經(jīng)測(cè)算，僅一部主運(yùn)輸皮帶，電量消耗降幅達(dá)到27%，每年可節(jié)約電費(fèi)70 萬(wàn)余元。同時(shí)，還降低了設(shè)備的機(jī)械磨損，每年就可節(jié)約14 萬(wàn)余元的配件更換及維護(hù)費(fèi)用，節(jié)能降耗及設(shè)備升級(jí)改造效果十分顯著。