智能调速系统在长距离带式输送机中的应用研究

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内，其上铺子沟砂石加工系统的料源位于系统上游3.7km处的金波石料场，开采的石料就地粗破后，通过半成品带式输送机运输至上铺子沟砂石加工系统，加工分级为成品骨料后，再由成品料带式输送机运输至高、低线混凝土生产系统，带式输送机总长7.1km[1]。带式输送机耗电量大、机械磨损严重、带速与运量无法合理匹配，导致带式输送机长期在半载、轻载工况下高速运行，造成极大的电能浪费和设备磨损。

2 传统带式输送机存在的问题

长距离带式输送系统生产用电量大，驱动电机的功率在设计选型时，一般是按最大运量并考虑重负荷停机启动进行驱动设备功率的选择，带式输送机配置的驱动电动机一般均有20%～40%富余量，加上带式输送机受前方生产不均衡的影响，经常处于轻载、空载运行状态，导致电动机经常处于50%以下的低效率工作状态。电机工作效率没有很好地发挥，导致带式输送机长期在半载、轻载工况下高速运行，造成极大的电能浪费。

带式输送机在运行过程中，空载、轻载、重载状态下均为高速运行，而空载和轻载时对电动机、减速机、滚筒、托辊、胶带等设备产生了不必要的磨损和电能消耗，缩短了设备的使用寿命。

3 智能调速控制系统节能运行分析

智能调速控制系统节能主要通过减少做无用功消耗的电能和提高电机的工作效率来考虑。根据DIN 22101设计标准和实际运行工况，可将带式输送机能耗的运行功率划分为空载运行功率、水平载物功率、提升功率、附加功率等四类功率之和[2]，即：

式中：P1——空载消耗功率，kW；

P2——附加功率，kW；

f——输送带的阻力系数，可按带式输送机设计手册选用，见表1；

L——带式输送机的长度，m；

δ——输送带的倾角，根据设计标准，当输送带的倾角小于18°时cosδ=1；

Qm——物料流量，t/h；

ν2——带速，m/s；

H——提升高度，m。

表1 输送带阻力系数取值[3]

可以看出，对于工况中确定的带式输送机，能耗主要与运量、带速、阻力系数有关，而阻力系数与带速相关，带速越高，阻力系数取值约大。带速计算公式如下：

式中：qm——单位长度物料运量，kg/m。

当带式输送机运输量变小时，通过减小频率使带速与物料流量相匹配，从而节能；当物料量增加时，带速也相应地增加。当带速与物料流量匹配最好时节能效果最理想，因此，需要用自适应调节速度的方法来达到节能目的。

4 调速控制方案的研究与比选

带式输送机在输送物料的过程中，受前方生产量需求的变化、料仓卸料点不均衡等因素影响，输送带上的运输量是不均匀的，很难保证运输量长时间在某一稳定值运行。调速方案研究初期，拟选用变频闭环调速方案，利用变频器对输送量、功率、速度的反馈进行分析计算，以实现运输速度的自动调节。实际运行后，由于运输量的变化导致变频器频率调整过于频繁，变频器发热量大，对变频器的安全运行存在极大的安全隐患。长距离带式输送机设备功率大，相应配套的变频器费用高，一旦变频器出现故障将产生较大的影响和损失，因此，智能调速方案必需在保证生产安全的前提下，匹配运输量完成调速功能[4]。

经过现场多次试验，调速系统的最佳方案是根据能耗反馈，将速度和调速范围控制在一定区间，根据对能耗、电流、输送量、速度等运行数据的分析，采用模糊控制确定输送量和相对应的调速区间，采用定值进行调速，进而在实现带式输送机速度跟随运输量变化而变化的同时，保证低速不洒料，变速平稳无故障、不连续变速等系统要求。调速在系统实施过程中，在不影响生产的前提下调试，保证所需数据的采集，反复验证理论数据，增加多个保证安全的措施。结果表明，调速效果很好，节能效果明显，能达到预期效果。

5 调速控制系统组成及工作原理

智能调速控制系统包括变频传送部分、逻辑控制部分和采样反馈部分。

变频传送部分采用变频调速装置控制电机，使输送机按照预先设定的加速度、减速度，运行时自适应调节驱动电机速度。

逻辑控制部分由PLC和上位机构成。对设备进行变频调速控制；对传感器采集来的信号进行分析和处理；对输送带按设定的区间进行相应的速度调节。

采样反馈部分为皮带秤动态称重传感器和输送带速度传感器。获取带式输送机瞬时物料流量和输送带运行速度数据，采集变频器运行功耗，并把采集的数据及时传输到控制系统进行分析。依据输送带上的实时载荷和带速对输送带变频器输出功率进行调整，进一步通过模糊控制算法构建输送带速度、负载和能耗模糊控制器模型，得到输送量和带速的最佳匹配关系，将带式输送机的运行速率和功率匹配在一定的区间进行定值调速，输送量在确定的区间相对应的调节变量器输出频率(图1)，从而控制带式输送机的节能运行和安全运行[5]。

图1 调速控制系统框架

5.1 调速参考源

为准确掌握带式输送量，采用悬浮式皮带秤进行动态称量，利用带式输送机安装的重量传感器及速度传感器，通过与控制系统通讯和计算，将运输量反馈至控制系统上位机监控界面，按其所显示的瞬时流量，再通过一定的方法计算出累计流量。

为进一步保证输送量测量的准确性，避免皮带秤测量存在偏差时不能及时发现和纠正。利用带式输送机运输物料过程中，设备转矩、电流、功率均能反应负载大小的变化，且基本成线值变化，因此，通过读取设备运行的功率和速度，进行相应的比例计算得出带式输送运输量，该数值与皮带秤称量值进行比较，设定相应的偏差域模糊计算分析，对皮带秤检测值进行校核和预警，从而保证调速参考源的准确性。

5.2 控制原理

控制系统通过采集带式输送机运输速度、启停开关量状态、运输电流、运输功率、运输时间、瞬时运输量、累计运输量数据、上级带式输送机变频器参数(包含驱动转矩、功率及相关开关量状态等)，控制系统通过规则库制定，将检测数据和逻辑指令数据化，将多条件变量变为可以执行的数据输出表。

模糊控制原理中，规则库是由若干条模糊语言控制规则所组成的，这些控制规则来自于现场运行数据和现场运行的经验性总结，规则库中的控制规则可以用语言规则形式给出。“如果—则—”是规则的基本形式，语句的前半部分是条件或前提，后半部分是结果，因此，这种规则蕴含着一种逻辑推理。

根据控制规则，整理出对应数据输出表，通过软件实现自动调速的功能。整理控制规则库见表2。

表2 智能调速控制规则库

6 结语

以杨房沟水电站上铺子沟砂石加工系统的半成品、成品料长距离带式输送机为依托，分析出通过减少带式输送机做无用功消耗和提高电机工作效率的方式来达到降低能耗的目的，经研究比选确定最佳方案是：根据能耗反馈，采用模糊控制算法构建输送带速度、功率和运量匹配系统，实现带式输送机智能调速。杨房沟水电站上铺子沟砂石加工系统的半成品输送线主要设备整机额定功率为3×355kW，长度3.7km，实测电量分析，采用常规自动化控制系统，半成品输送线单位耗电量为1.08kW·h/t，使用智能调速系统后，带速根据实际运量的变化而变化，单位耗电量降低至0.94kW·h/t，整体节能13%，效果明显；另一方面，应用智能调速系统后，带式输送机总体上降低了运行速度，减小了电动机、减速机、滚筒、托辊、胶带等设备的磨损和消耗，延长了设备使用寿命，经济和社会效益显著，所取得的经验可为其他类似工程的设计与施工提供借鉴和参考。