基于煤流检测的皮带机调速控制技术研究

郭 珂

（晋能控股装备制造集团赵庄二号井，山西 长治 046000）

目前在采矿业、燃煤电厂、钢铁工业和干散货码头等应用场景中，皮带机应用的数量使用的较多，同时也是各大生产场地中主要的耗电设备之一。在全球范围内的材料运输产业中，皮带机运输占据着较大的市场份额，随着人们环保意识和理念的不断提升，如何降低皮带机的损耗，提升皮带机的效率成为了技术人员的重点研究对象，但是对现状进行分析发现，只有少部分的皮带机完成了优化。

在过去几十年的应用实践中，为了降低皮带机的能量损耗，技术人员提出了多样的技术方案。主要有以下几项：①采用性能更加优异的组件，将最新的技术应用到输送带中，降低皮带的摩擦系数，或者采用最新的更先进的托辊组，采用输出效率更高的电机；②对皮带机群的综合运用进行系统的优化设计；③对皮带机的调整方式进行了优化，其中包含了皮带机的起动和停止控制、并可按负载调整传动轴转速[1-3]。

通过综合应用上述提到的技术方案，可以使得系统的效率得到较为明显的提升，同时，上述的几种方法也可以独立应用。在本文中，主要研究如何通过速度调节的方式提升系统的效率。这种优化方法具有独特的优势，大多数的方法需要在设计时就确定了系统的性能，而调速法可以在使用的过程中随时进行参数的调整。

经过大量的文献研究可以发现，对皮带的速度调节，从而实现系统效率提升的研究存在不同的见解。但是大量的实际应用经验显示，及时地对皮带机的速度进行调节，能有效地提升皮带机的效率，对于优化系统的能源效率具有显著的应用价值。

1 皮带机调速的目标和方案

在现代皮带机系统中，变速驱动器的应用越来越广泛，并且在鼠笼式电机和变速器之间采用变频器进行连接。对比变速驱动器和传统驱动器的性能指标可以发现，变频驱动器的优点是具有更低的功耗和更小的机械磨损，除此之外，本调速系统还可以实时地监测到输送机系统上的负载，并根据负载将速度调节到合适的范围，从而使得系统效率在最优的区间内。

在正常的工作条件下，皮带机一般不会在满负荷的情况下工作，其中一方面的原因是无法及时地判断前方来料的质量，另一方面的原因是为了保证安全在设计中有较大的安全冗余。特别是皮带机集群，会在后部皮带机设计较大的冗余，造成整个系统的整体负载率较低。为了减少能量损失，在运输的流量较低时，可以采取降低输送带运行速度的措施，提升单位时间内皮带机的运煤量。

在获取入口煤流量的的基础上，进行速度的准确调节。为了准确及时地检测出入口的煤流量，就需要在前级皮带机的位置上安装专门的传感器，考虑到速度调节过程中，决策和执行需要一定的时间，所以需要对来料的多少进行准确的预判，为了实现这种目的，通常将煤流传感器安装在前一级的皮带机，和当前皮带机保持合适的距离，图1显示了传感器的实际安装位置。

图1 煤流传感器的位置和安装

控制逻辑：①第1 阶段，基于前一级皮带机安装位置的传感器探测到的物料信息，并与前级皮带机的转速和工作时间相结合，建立了前级皮带机扫描装置安装后的实时煤流曲线；②第2个阶段是在调速皮带机的入口，根据实时煤流图，对本段皮带机入口进煤进行预测；③第3阶段是结合获取的数据，根据调节算法对数据进行处理，并获得最终的运行速度[4-7]。

在系统功能实现的方式上，利用煤流传感器对煤流进行实时采集，利用速度传感器对煤流进行实时采集，并利用该数据建立煤流的缓冲区域；根据记录的当前时间、煤流剖面的信息及速度信息，并依照FIFO（先进先出）的原理，按时间顺序将煤流中的煤流信息进行转移。

对于皮带机的入口煤流量，t0到t1时间间隔内的物料累计量。

式中：k——等效系数；

V——时间间隔内的煤量分布体积；

s——煤流的截面积；

v——煤流的运行速度。

其等效公式可表示为：

式中：si——煤流的瞬时截面积；

vi—煤流的瞬时速率；

ti——时间周期；

n——采样次数。

系统在获取了实际的煤流量和当前的电机真实负载的情况下，根据煤流量的预测信息，输出皮带机的预期速度，并通过数据通讯将速度控制指令发送到控制驱动器。为了降低对机械装置的影响，系统在运行的过程中，应限制驱动器输出电压和电流的大小。

在对上述的煤流量进行系统的分析后，确定采用分级调速的方法。本文根据皮带机运行速度的大小分为三个挡位（分为对应皮带机的频率为45Hz、40Hz、35Hz)，分别对应皮带机运行的高速、中速和低速。

2 皮带机调速的现场测试

现场测试的对象主要是硬件和软件的测试：硬件测试为煤流传感器，软件测试为调试算法。

（1）煤流传感器的测试。在试验过程中，通过无接触式的煤流传感器获取数据，可以实现对皮带输送机上来料的不间断扫描，并对获取的原始数据进行初步的处理和分析，将数据转换为系统可以识别的格式，然后通过数据总线将数据快速地进行传输，从而达到有效地控制和分析的效果。

不同物料下外形的显示和变化如图2所示。

图2 不同物料下外形的显示和变化

（2）皮带机调速算法的测试。在进行硬件性能测试时，煤流传感器安装在前级皮带机上，及时地记录皮带机的煤流量；在进行软件性能测试时，通过数据传输总线对数据进行传输，并实现了和系统控制单元的信息交互，系统既能够获取到当前皮带和前一级皮带的运行数据，同时还能够根据获取的数据输出当前皮带的速度指令。在实际矿山生产的现场中，对皮带机的算法进行了验证，并实时地记录了现场的测试数据[7-9]，图3显示了实际的运行曲线。

图3 运行曲线

图3中编号1 表示了前级皮带输送机的煤流量，2表示了该皮带输送机的工作频率，3表示了该皮带输送机的工作扭矩。在时线上，两条虚线的间隔是6h，因此可以得知图3反映了系统24h的运行数据。编号2的三挡工作频率在35Hz处工作的时间最多，在少数时间系统的工作频率为40Hz，极少数时间系统在45Hz 处工作。

图4显示了带机转速与带机负荷之间的关系。图4中的1 号是皮带机的工作频率，现在是45Hz、40Hz、35Hz 三个速度挡位，二号是皮带机的工作扭矩曲线。在时间轴线上，两条竖直的白点之间是12h，因此可以得知图4反映了系统24h的运行数据。

图4 皮带机速度和皮带机负载的关系曲线

皮带机调速的最终目的是保证速度能够随着负载的变化进行及时、准确地调节[10-11]。当皮带机上的负载较大时，应该相应提高皮带机的速度；当皮带机上的负载较小时，应该相应地降低皮带机的速度，通过图4的结果可以表明本文提出的调速逻辑具有较高的应用效果。煤流传感器应用的目的是及时地预测皮带机的负载，系统中缺乏煤流传感器就无法准确地实现速度调节。

3 结语

本文主要研究了皮带机的转速控制方法，研制了一种利用煤流传感器、转速传感器检测煤流、预测煤流未来煤流的方法，并在此研究方法的基础上，对皮带输送机的转速进行及时的调节，从而使得系统的效率得到较大的提升。经过现场的实践，验证了本文提出方法的有效性，在实践中有较好的效果。