帶式輸送機節能調速控制系統設計研究

王振朝

山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 臨汾 041602

煤炭是我國重要的能源支柱，隨著供給側改革的推進，節能減排逐漸成為煤炭發展的主流。對于帶式輸送機而言，因為運行速度和物料承載的波動，經常出現負載運行，導致設備損耗大。通過改變控制模式減低輸送機運行過程中的工作阻力以降低能耗是有效的方法之一，但是在實際運輸過程中，因為運輸物料量的不穩定性，很難確保控制模式可以適應各種運輸條件[1]。本文根據礦井實際運輸環境，通過改變物料質量調節皮帶運行速度，實現了各種工況下智能調速的目的，同時實現了節能目的，為帶式輸送機節能調速控制系統的發展提供了依據。

1 帶式輸送機節能運行分析

礦用帶式輸送機往往根據礦井生產能力所確定，在額定功率下，電機在一定工頻下穩定運行，因此理想狀態下輸送機帶速是恒定的，在實際生產環境中，因為運料量的不同和帶速運行速度的波動，往往導致輸送機負載運行，長時間的負載運行造成設備運行效率低下，功耗大，為此對輸送機進行功耗節能分析就顯得十分重要[2]。

帶式輸送機運行過程中阻力是造成能耗最重要的原因，現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行阻力、物料擠壓阻力、壓陷阻力和輸送機彎折阻力構成。托輥運行阻力是由裝置密封及運行中軸承摩擦產生，因此轉速是重要的影響因素；此外運行中物料與輸送機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，帶式輸送機承載段阻力系數為fi；輸送機長度為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；輸送機線密度為qd，單位kg/m；運行線路傾角為βi，單位°。

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

對于附加阻力，主要由滾筒阻力、轉動阻力和落料阻力構成，在運料的過程中，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，造成滾筒阻力和轉動阻力的出現，當物料下落的角度、速度與輸送機運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上，一般是因為卸料裝置等所致，但是在長距離運輸的過程中，一般忽略特殊阻力的計算。

因此，對于帶式輸送機運行過程中工作阻力的計算，主要通過以下公式獲得：

根據阻力計算公式，式中帶式輸送機承載段阻力系數為fi與輸送機運行速度有關，其它參數則與功率因素有關，功率因素往往根據礦井生產所定，因此通過調節輸送機運行速度減小運行阻力。為此根據礦井帶式輸送機實際運行狀況，對設備工況進行分析，設備參數如下：輸送機運量為1100t/h，皮帶運行速度為3.2m/s，承重線密度q為20.5kg/m，運行過程中皮帶阻力系數為0.023，通過改變皮帶運行的速度，判斷設備運行過程中能耗的變化，得到表1所示的結果。

表1 不同運行速度下帶式輸送機能耗變化表

從表1可以看出，相同運量下，隨著皮帶速度的增加，帶式輸送機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，容易造成設備負載運行，由此可見，為了實現節能的目的，適當降低皮帶運行速度是最佳的選擇，從實際生產經驗來看，通過改變物料質量調節皮帶運行速度是最佳的選擇。

2 帶式輸送機節能控制系統設計

2.1 節能控制系統總體方案設計

為實現隨質量變化調控皮帶運行速度的目的，對節能控制系統進行了總方案設計，系統框架圖如圖1所示。系統流程如下，運送物料經過稱重傳感器進行稱重，隨后將數據傳送至STM32F103單片機中，單片機將接受數據與初始數據進行對比，通過輸出不同占比的PWM信號實現對帶式輸送機運行速度的控制。

圖1 節能控制系統框架圖

系統中，稱重傳感器是質量檢測的重要手段，也是進行后續速度調控的依據，其主要技術參數如下：設備的量程靈敏度為1mv/v，零點輸出誤差在0.1mv/v范圍內；非線性量程電阻與重復性電阻一樣，值為0.05Ω；滯后絕緣電阻為0.05MΩ；測量精度在1g以內。

2.2 節能控制軟件系統設計

節能控制軟件系統的實現依賴于編程語言，利用C語言庫中的函數對系統功能進行編寫。編寫程序功能包括系統構架的初始化、信號采集模塊、數據分析模塊以及電機控制模塊。對于節能調速功能的實現主要通過稱重傳感器預設參數和實測參數的計算獲得，根據PWM信號實現對電機調速功能的實現。假定系統定時器的時鐘為75MHz，自動裝載值為900，則PWM信號輸出的頻率值為80Khz，PWM信號的輸出依據比較值CCRx確定。節能控制軟件系統運行成功后，將編譯環境通過USB串口導入到STM32單片機系統中運行。在系統運行的過程中，通過循環語言對不同質量的預設值進行預定值比較，進而輸出控制量，進行調速操作。

3 實際運行狀況分析

為了驗證系統的可行性，改變物料的不同質量，通過PWM輸出信號判斷系統運行狀況。不同重量下PWM輸出信號如圖2所示，輸出頻率的額定設定值為80Khz，從圖4（a）圖可知，重量小于1kg的PWM輸出電壓平均值為1.17V；從圖4（b）圖可知，重量1kg-3kg的PWM輸出電壓平均值為2.29V；從圖4（c）圖可知，重量3kg-5kg的PWM輸出電壓平均值為3.38V；不同重量下輸出電壓值與編寫程序相符，當質量改變后，電壓信號也隨之改變，可以實現實時調節控制的功能，滿足設計需求。

圖2 不同重量下PWM輸出信號

為了更直觀的得到調速系統的節能功能，對調速前和調速后功耗進行了對比。進行節能調速后，帶式輸送機的功率明顯降低，假定在400t/h運行時間為3h，600t/h運行時間為5h，800t/h運行時間為3h，1000t/h運行時間為4h，則進行節能調速后每天共可節約電能80.5kW·h，證明了此次節能調速的成功性。

4 結束語

（1）通過對帶式輸送機節能運行分析，得到輸送機運行速度是造成能量損耗的主要原因，通過質量調節皮帶運行速度實現節能是最佳選擇。

（2）在對節能控制系統總體方案和軟件系統的設計基礎上，對帶式輸送機實際運行狀況進行了分析，得到系統運行穩定，可實現實時調節控制的功能，滿足設計需求。

（3）對節能調速前后功率進行分析對比，計算得到節能調速后每天可節約電能80.5kW·h，具有良好的經濟效益。