带式输送机节能控制系统的设计

赵云平

（西山煤电集团有限责任公司官地煤矿运输区， 山西 太原 032200）

引言

带式输送机在煤炭行业占有极其重要的地位，能广泛应用于煤矿井下煤料的运输中，在综采工作面、短壁开采工作面都发挥着不可替代的作用。传统的带式输送机控制系统采用简单的开环控制，不考虑重载、轻载、空载情况，始终以额定带速运转，导致带式输送机消耗电能巨大、机械磨损严重、生产成本增加、生产效率下降[1]。国外对带式输送机控制系统的研究较早，其运行性能、可靠性、自动化程度较高，如采用在线监测、实时分析、多机驱动以及功率平衡算法等技术，保证带式输送机的运行性能。国内对带式输送机控制系统的研究较晚，在借鉴国外研究成果的基础上，在基于带式输送机的软启动、变频控制、功率平衡以及动态分析与监测等方面取得了一些成果并应用生产实践[2-4]。为降低带式输送机耗电，研究并设计基于模糊控制的带式输送机节能控制系统，在保证其运行安全、稳定、连续的情况下，达到节能降耗的目的。

1 节能原理分析

带式输送机运行时，影响其功率的重要参数为煤料运量和带速。当带式输送机的运量一定时，带速与功率成正比；当带式输送机的速度一定时，煤料运量越大，消耗功率越高。带式输送机的带速与功率的关系曲线如图1 所示，其中Q1、Q2、Q3为带式输送机的运量，v为带式输送机的运行速度，P为带式输送机的输出功率。

为降低带式输送机输出功率，必须减小带速，达到节能减排的目的。但是，由图1 可知，带式输送机的带速减小时，煤料运量也会相应减少；随着带速减小，带式输送机的皮带在单位面积内收到的张力会增大[5]。因此，在设计带式输送机节能控制系统时，必须以煤料运量与带式输送机的皮带宽度为限制条件。在满足限制条件时，选取较低的带速作为带式输送机的运行速度，达到节能的目的。定义qm为带式输送机在运行时允许的最大煤料线密度，则带速与煤料运量之间的关系可表示为公式（1）：

图1 带式输送机带速与功率关系曲线

为保证带式输送机安全、稳定运行，qm必须维持不变。则由式（1）可知，带式输送机的煤料运量增大时，带速随之增加；带式输送机的煤料运量减小时，带速随之减小。根据带式输送机实际运行情况可知，当煤料运量较小或为零时，保持带速为最小值即可。带式输送机带速与煤料运量Q之间的关系曲线见图2 所示，带速最小为vmin，其关系可表示为公式（2）以及公式（3）：

图2 带式输送机带速与煤料运量关系曲线

由上述分析可知：当煤料运量较小时，由控制器减小变频器的运行频率，降低电机转速，进而使带式输送机的带速与煤料运量相匹配；当煤料运量较大时，由控制器增加变频器的运行频率，增加电机转速，进而调整带速与煤料运量达到最优匹配，最终达到节能的效果。

2 控制系统的设计

2.1 模糊控制器的设计

将带式输送机的煤料运料偏差q，带速偏差e以及带速偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量，将带式输送机的三台电机的频率f作为模糊控制器的输出，即设计三输入一输出的模糊控制器。利用PLC 控制器，控制变频器的运行频率f，进而调节带速。

定义煤料运量偏差的基本论域为{-q，q}，带速偏差的基本论域为{-e，e}，带速偏差变化率的基本论域为{-ec，ec}，电机运行频率的基本论域为{-q，q}。对输入/输出基本论域进行量化，并得到各自对应的量化论域。根据量化论域创建模糊控制变量赋值表以及模糊控制规则[6]。最后，利用加权平均法设计模糊控制器推理。所设计的带式输送机模糊控制系统见图3 所示，PLC 控制器除执行逻辑控制外，还必须将所设计的模糊控制算法的结果存入其M区内，实际对三台电机进行控制时，只需查表即可。带式输送机n的取值为0～1 495 r/min，v取值为0～4.5 m/s，则n与v的关系可表示为式（4）：

即调节控制带式输送机电机的变频器运行频率，即可对带速进行调节，达到节能运行的目的。

图3 带式输送机模糊控制系统设计

2.2 软件程序的设计

带式输送机节能控制系统软件设计流程见图4所示，PLC 控制器根据实际运行工况，对三台电机的运行频率进行修正，进行达到调速带式输送机运行速度的目的。根据设计的PLC 软件流程，进入功率模糊控制子程序，采集三台电机输出电流，并计算其平均值。以2 号电机为例，如果其实时输出电流值大于平均电流值且其比值大于105%，则减小2 号变频器的输出频率；如果其比值小于95%，则增大2 号变频器的输出频率。否则，PLC 控制器会循环采集电机输出电流。

图4 带式输送机节能控制系统软件流程

3 节能分析

以某矿主斜井带式输送机为例，进行节能分析，主要参数信息为：矿井年产量5 Mt/年，带式输送机长度L=1 860 m+2 100 m，带宽B=1 500 mm，运量Q=2 500 t/h，带速v=4.5 m/s，倾角为6°，电机由三台，额定电压为6 kV，功率为1 400 kW，年工作日为300 d，日工作18 h。根据上述参数计算有：Q=（5×106）/（300×18）≈925t/h；冗余比为（2500-925）/2500≈63%。

改造前，该带式输送机为恒速运行模式，则年耗电量W1=3×1400×300×18×0.63=14 288 400 kWh。

改造后，该带速输送机的煤料运量为额定运量的50%时，带速为2.5m/s，电机功率为1 050 kW，则年耗电量W2=1 050×300×18=5 670 000 kWh。

年节约耗电量为ΔW=W1-W2=14 288 400-5 670 000 =8 618 400 kWh。节电率η=8 618 400/14 288 400=60.3%。

4 结语

带式输送机采用节能控制系统后，节电效果明显，达到预期设计目标。以变频方式驱动三台电机运行，使其启动电流较小，可实现平滑启动。通过调节变频器的运行频率，进而调整带式输送机的带速，使得其机头电机功率和机尾电机功率不平衡。因此，在后续需要研究节能控制系统中机头/机尾电机功率平衡问题，保证带式输送安全、稳定、有效运行。