带式输送机节能调速控制系统设计研究

王振朝

山西霍宝干河煤矿有限公司 山西 临汾 041602

煤炭是我国重要的能源支柱，随着供给侧改革的推进，节能减排逐渐成为煤炭发展的主流。对于带式输送机而言，因为运行速度和物料承载的波动，经常出现负载运行，导致设备损耗大。通过改变控制模式减低输送机运行过程中的工作阻力以降低能耗是有效的方法之一，但是在实际运输过程中，因为运输物料量的不稳定性，很难确保控制模式可以适应各种运输条件[1]。本文根据矿井实际运输环境，通过改变物料质量调节皮带运行速度，实现了各种工况下智能调速的目的，同时实现了节能目的，为带式输送机节能调速控制系统的发展提供了依据。

1 带式输送机节能运行分析

矿用带式输送机往往根据矿井生产能力所确定，在额定功率下，电机在一定工频下稳定运行，因此理想状态下输送机带速是恒定的，在实际生产环境中，因为运料量的不同和带速运行速度的波动，往往导致输送机负载运行，长时间的负载运行造成设备运行效率低下，功耗大，为此对输送机进行功耗节能分析就显得十分重要[2]。

带式输送机运行过程中阻力是造成能耗最重要的原因，现降工作阻力分为基本阻力、倾斜阻力、附加阻力和特殊阻力四种。基本阻力是由托辊的运行阻力、物料挤压阻力、压陷阻力和输送机弯折阻力构成。托辊运行阻力是由装置密封及运行中轴承摩擦产生，因此转速是重要的影响因素；此外运行中物料与输送机之间的摩擦力造成的挤压阻力和压陷阻力也是基本阻力的组成部分。

基本阻力计算公式如下：

式中，带式输送机承载段阻力系数为fi；输送机长度为li，单位m；重力加速度为g，单位m/s2；承重线密度为qi，单位kg/m；物料线密度为q，单位kg/m；输送机线密度为qd，单位kg/m；运行线路倾角为βi，单位°。

对于倾斜阻力而言，主要是机头机尾角度差造成，因此倾斜阻力的计算与带式输送机倾斜角度有关，可用以下公式计算：

对于附加阻力，主要由滚筒阻力、转动阻力和落料阻力构成，在运料的过程中，物料在承载段会不断消耗能量，消耗能量以阻力的形式表现，造成滚筒阻力和转动阻力的出现，当物料下落的角度、速度与输送机运行方向及速度有差异时，造成了落料阻力。

特殊阻力并不存在于所有的带式输送机上，一般是因为卸料装置等所致，但是在长距离运输的过程中，一般忽略特殊阻力的计算。

因此，对于带式输送机运行过程中工作阻力的计算，主要通过以下公式获得：

根据阻力计算公式，式中带式输送机承载段阻力系数为fi与输送机运行速度有关，其它参数则与功率因素有关，功率因素往往根据矿井生产所定，因此通过调节输送机运行速度减小运行阻力。为此根据矿井带式输送机实际运行状况，对设备工况进行分析，设备参数如下：输送机运量为1100t/h，皮带运行速度为3.2m/s，承重线密度q为20.5kg/m，运行过程中皮带阻力系数为0.023，通过改变皮带运行的速度，判断设备运行过程中能耗的变化，得到表1所示的结果。

表1 不同运行速度下带式输送机能耗变化表

从表1可以看出，相同运量下，随着皮带速度的增加，带式输送机能量损耗率增加明显，虽然减小皮带速度可以降低能量损耗率，但是却增加了填充率，容易造成设备负载运行，由此可见，为了实现节能的目的，适当降低皮带运行速度是最佳的选择，从实际生产经验来看，通过改变物料质量调节皮带运行速度是最佳的选择。

2 带式输送机节能控制系统设计

2.1 节能控制系统总体方案设计

为实现随质量变化调控皮带运行速度的目的，对节能控制系统进行了总方案设计，系统框架图如图1所示。系统流程如下，运送物料经过称重传感器进行称重，随后将数据传送至STM32F103单片机中，单片机将接受数据与初始数据进行对比，通过输出不同占比的PWM信号实现对带式输送机运行速度的控制。

图1 节能控制系统框架图

系统中，称重传感器是质量检测的重要手段，也是进行后续速度调控的依据，其主要技术参数如下：设备的量程灵敏度为1mv/v，零点输出误差在0.1mv/v范围内；非线性量程电阻与重复性电阻一样，值为0.05Ω；滞后绝缘电阻为0.05MΩ；测量精度在1g以内。

2.2 节能控制软件系统设计

节能控制软件系统的实现依赖于编程语言，利用C语言库中的函数对系统功能进行编写。编写程序功能包括系统构架的初始化、信号采集模块、数据分析模块以及电机控制模块。对于节能调速功能的实现主要通过称重传感器预设参数和实测参数的计算获得，根据PWM信号实现对电机调速功能的实现。假定系统定时器的时钟为75MHz，自动装载值为900，则PWM信号输出的频率值为80Khz，PWM信号的输出依据比较值CCRx确定。节能控制软件系统运行成功后，将编译环境通过USB串口导入到STM32单片机系统中运行。在系统运行的过程中，通过循环语言对不同质量的预设值进行预定值比较，进而输出控制量，进行调速操作。

3 实际运行状况分析

为了验证系统的可行性，改变物料的不同质量，通过PWM输出信号判断系统运行状况。不同重量下PWM输出信号如图2所示，输出频率的额定设定值为80Khz，从图4（a）图可知，重量小于1kg的PWM输出电压平均值为1.17V；从图4（b）图可知，重量1kg-3kg的PWM输出电压平均值为2.29V；从图4（c）图可知，重量3kg-5kg的PWM输出电压平均值为3.38V；不同重量下输出电压值与编写程序相符，当质量改变后，电压信号也随之改变，可以实现实时调节控制的功能，满足设计需求。

图2 不同重量下PWM输出信号

为了更直观的得到调速系统的节能功能，对调速前和调速后功耗进行了对比。进行节能调速后，带式输送机的功率明显降低，假定在400t/h运行时间为3h，600t/h运行时间为5h，800t/h运行时间为3h，1000t/h运行时间为4h，则进行节能调速后每天共可节约电能80.5kW·h，证明了此次节能调速的成功性。

4 结束语

（1）通过对带式输送机节能运行分析，得到输送机运行速度是造成能量损耗的主要原因，通过质量调节皮带运行速度实现节能是最佳选择。

（2）在对节能控制系统总体方案和软件系统的设计基础上，对带式输送机实际运行状况进行了分析，得到系统运行稳定，可实现实时调节控制的功能，满足设计需求。

（3）对节能调速前后功率进行分析对比，计算得到节能调速后每天可节约电能80.5kW·h，具有良好的经济效益。