带式输送机节能调速控制系统研究

杨引锁

(山西焦煤西山煤电 山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200)

0 引言

带式输送机是一种较复杂的机械设备，广泛应用于矿井、选煤厂、港口等领域。据统计，大多数带式输送机以最大载重为参考的恒速方式运行，即带式输送机轻载、空载时，也按照额定速度运行，这样不仅加剧了机械磨损，而且会出现“大马拉小车”的现象，造成电能的巨大浪费。据统计，全国近8 000座矿井，每年电能消耗近200亿kW·h，如果将节能调速控制技术应用与带式输送机的控制系统，每年至少可节约电能50亿kW·h[1]。另外，采用恒速运行的带式输送机的生产效率只有40%左右，采用节能调速控制系统，可较大提高其生产效率。

由于带式输送机巨大的耗电量和极低的生产效率，国内外学者在保证其安全、稳定运行的前提下，研究节能调速控制技术并将其成果应用于带式输送机的生产实践。国外在研究带式输送机变频控制的基础上，进一步对运行状态进行动态分析和智能监控，建立数学模型，优化变频调速控制系统。国内学者借鉴国外研究成果，逐渐将PID控制技术、模糊控制技术以及神经网络控制技术应用于带式输送机变频调速系统控制方案，并在多个矿井进行工业试验[2-4]。以带式输送机为研究对象，采用模糊控制技术，根据生产实际工况，提出3种调速方案，对节能效果进行分析并完成工业试验。

1 系统组成

带式输送机节能调速系统如图1所示，由控制单元、执行单元以及检测单元3部分组成，检测单元以传感器检测模式获取带式输送机实时状态参数，传送给控制单元。控制单元中的PLC控制器对获取的数据进行解析并进行逻辑处理，驱动执行单元中的主变频器/从变频器对主电动机/从电动机进行转矩/转速控制，保证带式输送机能够根据实际工况机进行速度动态调整。

图1 带式输送机节能调速系统组成

PLC控制器可以通过CAN、CanOpen、Profibus-DP等多种方式与变频器进行通信，并控制变频器的频率和电压，进而动态调节电动机转速。在PLC控制器中实现模糊决策带速给定策略，实现带式输送机节能调速。

2 方案设计

2.1 基本理论依据

设计并实现的节能调速系统中用到的基本理论有模糊控制原理以及变频调速原理。模糊控制器将误差和误差变化率转换为控制器可接受的数值，并根据已建立的数据库和知识库完成逻辑推理，并将推理结果应用于控制对象。设计中，将载重、煤仓煤位、载重变化率以及给煤量变化率作为模糊决策控制器输入参数，根据模糊决策规则表进行逻辑推理后，生成实时给定带速，传送给变频调速装置。

带式输送机机头、机尾电动机为三相异步电动机，其转速为：

(1)

式中，p为电动机绕组磁极对数;s为电动机转差率;f1为频率。

在式(1)中，p与s为常数，即电动机转速与频率成正比例关系[5]。

PLC控制器以传感器获取的带式输送机的实时参数为依据，根据模糊决策规则，控制变频器的运行频率，进而实时调节电动机转速。

2.2 调速方案设计

2.2.1 调速方案1

以带式输送机的载重为输入参数，带速为输出参数，并将其参数各划分为6个区间，控制流程如图2所示，即根据载重值，控制给定速度，其中M为带式输送机的最大载重值，v为带速最大值。

图2 调速方案1控制流程

2.2.2 调速方案2

该调速方案针对无煤仓配置的带式输送机为对象，以载重和载重变化率为输入参数，带速为输出参数,设计模糊控制系统。该调速方案2的模糊控制规则见表1。针对带式输送机节能控制系统的输入值，对其进行模糊化后，得到模糊控制系统的送入值，根据知识库的规则信息，模糊推理出模糊化的输出值，最后根据比例转换因子清晰化为实际值，即表2 带速查询表所示。

表1 模糊控制ev值

表2 带速ev查询表

调速方案2中，确定模糊控制规则和带速查询表为核心，将载重、载重变化率模糊化后，查询表2可得速度值X(X∈{0,1,2,3,4,5,6})，将该速度值除以量化因子Kv，即可得带式输送机带速[6]。

2.2.3 调速方案3

该调速方案针对有煤仓配置的带式输送机为对象，以载重和煤仓煤量为输入参数，带速为输出参数设计模糊控制系统。该调速方案的模糊控制规则以及带速查询见表1以及表2所示。将载重以及煤仓煤量模糊化后，可得带式输送机带速实时值，该方案的控制流程见图3所示。

图3 调速方案3控制流程

2.3 软件实现

所设计的带式输送机节能调速控制系统的软件编写在PLC控制器中完成，采用ST语言实现，具体软件流程见图4所示。

图4 PLC节能调速控制流程

根据调速方案2、3的模糊控制规则以及带速查询表，将其内容写入PLC控制器的M存储区，将调速方案的载重、载重变化率、煤仓煤位以及比例因子等参数写入PLC控制器的V存储区。PLC控制器每10 ms轮询一次，当采样时间到达时，判断载重m、煤仓煤位q是否越界。采集到输入参数没有越界时，将其写入PLC控制器的临时存储区，并选择带式输送机的运行方式，可选择调速方案1/2/3以及恒速运行。当煤仓煤量保持为0时，选择调速方案2，否则，选择调速方案3。

3 节能效果分析

以西山煤电集团某矿的主运带式输送机为例分析所设计的3种节能调速方案应用效果。该带式输送机的主要参数为：倾角β为10°，带式输送机长度L为1 830 m，带宽2 100 mm，最大带速6 m/s，每年工作300 d，每天工作20 h，[0,M/6]区间内工作t1为2 h，[M/6,2M/6]区间内工作t2为3 h，[2M/6,3M/6]区间内工作t3为4 h，[3M/6,4M/6]区间内工作t4为4 h，[4M/6,5M/6]区间内工作t5为3 h，[5M/6,6M/6]区间内工作t6为4 h。电动机功率K1为1.4，电动机启动方式系数K2为1，阻力系数K为0.08，W为1.3，m1为25.6 kg/m，m2为9.6 kg/m，q0为126 kg/m。

μ1=K1K2WL(m1+m2+2q0cosβ)

(2)

μ2=K1K2KWLcosβ

(3)

调速方案1节能分析：

(4)

可得W≈2 082 kW·h，以每度电0.5元计算，年节约电费31.2万元。

调速方案2节能分析：

(5)

可得W≈2 865 kW·h，以每度电0.5元计算，年节约电费43万元。

调速方案3节能分析:

调速方案3的节能效果与调速方案2的节能效果相同，区别为q0增大时，节能效果减弱，减小时，节能效果增强。

上述分析可知，调速方案2以及3的节能效果优于调速方案1。

4 结语

针对带式输送机的不同运行工况提出的3种节能调速方案，在区间控制、模糊决策方面都依赖于理论研究，在后续的工作中，应采集大量带式输送机运行数据作为模糊决策控制依据。工业试验结果表明，所设计节能调速方案能够保证带式输送机运行安全、稳定的前提下，达到节能降耗的目的，有较好的经济效益。