礦用皮帶輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化研究

鄭寶峰

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 興縣 033602）

1 研究背景

作為煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，皮帶輸送機(jī)正朝著大運(yùn)量、長距離、高帶速、節(jié)能化方向發(fā)展。通常長距離皮帶輸送機(jī)需要多臺大功率電機(jī)同時驅(qū)動，而在電機(jī)選擇時，通常要考慮25%～40%的富裕系數(shù)，同時受到工作面采掘不平衡影響，輸送機(jī)載荷也是不均勻的，因而其實(shí)際運(yùn)行過程中處于滿載、輕載、空載三種不同狀態(tài)之中。若輸送機(jī)帶速與其運(yùn)量不相匹配，則會導(dǎo)致能源的浪費(fèi)，因此如何減小輸送機(jī)運(yùn)行過程中的能源消耗，降低運(yùn)輸成本，對提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

2 皮帶輸送機(jī)啟動過程中的節(jié)能優(yōu)化

長距離皮帶輸送機(jī)由多臺交流變頻電動機(jī)驅(qū)動，受到各種因素的影響，會出現(xiàn)電動機(jī)功率不平衡現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電機(jī)負(fù)荷分配不均，嚴(yán)重時可能會燒毀電機(jī)。因而需要采取一定措施對輸送機(jī)功率平衡進(jìn)行控制。

電機(jī)平衡受到靜態(tài)和動態(tài)兩類因素的影響，靜態(tài)因素取決于輸送機(jī)原始設(shè)計參數(shù)，良好的設(shè)計可使靜態(tài)功率平衡達(dá)到良好的效果；動態(tài)因素即輸送機(jī)運(yùn)行過程中瞬時不平衡狀態(tài)，對動態(tài)功率不平衡現(xiàn)象能夠及時做出響應(yīng)則可取得良好的效果。影響皮帶輸送機(jī)功率平衡靜態(tài)因素主要有：滾筒圍包角、輸送帶與滾筒間的摩擦因素、電機(jī)特性、傳動比及滾筒直徑差異等，因此輸送機(jī)在設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格控制以上參數(shù)。動態(tài)因素主要有：輸送機(jī)運(yùn)行阻力、電動機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩等。具體生產(chǎn)實(shí)踐中，在輸送機(jī)靜態(tài)參數(shù)已經(jīng)確定后，可通過供電頻率來進(jìn)行電動機(jī)功率平衡的調(diào)節(jié)[1]。

傳統(tǒng)電機(jī)功率平衡控制有并行控制和主從控制兩種策略。并行控制即對多臺電動機(jī)設(shè)置統(tǒng)一的參數(shù)，所有電動機(jī)按照設(shè)定參數(shù)運(yùn)行，主從控制即主要對主機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，而從機(jī)通過對主機(jī)輸出進(jìn)行跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。并行控制具有抗干擾性較差的缺點(diǎn)，而主從控制同步運(yùn)行性差。

基于耦合補(bǔ)償?shù)墓β势胶夥椒ǎㄟ^對每臺電動機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化值進(jìn)行采集，對其運(yùn)行參數(shù)差異進(jìn)行分析，針對性地進(jìn)行補(bǔ)償。這種方法同時考慮了單機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的誤差及不同電機(jī)間的同步誤差。只要運(yùn)行系統(tǒng)中任何一臺電機(jī)發(fā)生變化時，都會對整個系統(tǒng)發(fā)出反饋。對于雙機(jī)驅(qū)動電動機(jī)，通過控制器的雙向補(bǔ)償作用，可提高系統(tǒng)的同步精度。

對于雙機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，通過對兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分析以得到其運(yùn)行狀態(tài)。若兩臺電機(jī)分別處于發(fā)電和電動狀態(tài)時，對其負(fù)載率進(jìn)行比較，當(dāng)處于電動狀態(tài)的電機(jī)載荷較大時，說明此時輸送機(jī)對于電機(jī)而言是負(fù)載，需要增加牽引力，通過控制系統(tǒng)增大處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)頻率，將其由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)為電動狀態(tài)。當(dāng)處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)載荷較大時，說明此時輸送帶轉(zhuǎn)速高，帶動電機(jī)鉆孔，因此需要減小電動狀態(tài)下的電機(jī)頻率，將其由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，進(jìn)行功率平衡控制。

3 皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制策略

皮帶輸送機(jī)節(jié)能技術(shù)主要有減電機(jī)運(yùn)行節(jié)能技術(shù)、異步電機(jī)Y-Δ接法變換節(jié)能、降電壓技術(shù)及變頻調(diào)速節(jié)能方法等。通常可通過調(diào)速來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)節(jié)能，變頻調(diào)速通過改變電源頻率來進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，具有響應(yīng)速度快、輸出穩(wěn)定和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。由于礦用變頻器造價成本高、進(jìn)口依賴性強(qiáng)，我國大多數(shù)煤礦生產(chǎn)企業(yè)多采用工頻拖動。采用工頻恒速運(yùn)行方式會存在如下問題：若輸送機(jī)空載或者輕載會造成電能浪費(fèi)，機(jī)械和輸送帶間的摩擦系數(shù)較大。為了提高輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，減少電能消耗，需采取措施對輸送機(jī)的帶速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

皮帶輸送機(jī)由電機(jī)驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行過程中輸送帶與滾筒、托輥等都會產(chǎn)生阻力，通常來說輸送機(jī)阻力主要有：輸送帶在托輥上的摩擦阻力、物料的擠壓阻力、托輥的運(yùn)行阻力、輸送帶的彎曲擺動阻力等。對于具體皮帶輸送機(jī)而言，對皮帶輸送機(jī)功率影響的主要因素是輸送機(jī)的運(yùn)量和帶速，當(dāng)運(yùn)量一定時，輸送機(jī)功率與帶速成正比，同理，若輸送帶帶速提高，則克服阻力所消耗功率也相應(yīng)增加，因此，可以通過降低帶速來降低輸送機(jī)功率消耗，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[2]。

皮帶輸送機(jī)運(yùn)量大小與生產(chǎn)地質(zhì)條件及工藝設(shè)備有關(guān)系，因此可通過研究輸送帶帶速與物料充填率的關(guān)系來降低輸送機(jī)能耗。在運(yùn)量一定的情況下，輸送帶帶速越低，物料的充填率越高，因此可通過降低帶速來提高物料充填率。在輸送量下降的情況下，若速度不變則會增大能量消耗，輸送帶帶速按設(shè)計的最小值予以選取。

4 皮帶輸送機(jī)控制器仿真系統(tǒng)設(shè)計

皮帶輸送機(jī)仿真控制系統(tǒng)主要由高速接口模塊、實(shí)時仿真模型及PC監(jiān)控系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中實(shí)時仿真模型作為核心部件，具有實(shí)現(xiàn)仿真計算的功能，高速接口模塊通過高速計算來實(shí)現(xiàn)仿真模型和實(shí)物之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，PC監(jiān)控系統(tǒng)是一個人工操作及顯示平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對仿真模型參數(shù)的實(shí)時修改，同時能夠顯示仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及控制效果[3]。其運(yùn)行過程如下：首先仿真模型按照原始設(shè)置參數(shù)運(yùn)行，通過高速接口將運(yùn)行結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的實(shí)物中，在PC監(jiān)控系統(tǒng)平臺顯示；再通過高速接口模塊將控制量算法傳輸給仿真模型，使其按照新的算法進(jìn)行計算；最后對控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。

皮帶輸送機(jī)硬件仿真系統(tǒng)是將輸送機(jī)系統(tǒng)全部用數(shù)字實(shí)時仿真模型來替代。替代建模方案主要有：用模型替代輸送帶，而輸送機(jī)其余部位仍用實(shí)物設(shè)備。采用該方案大量保留輸送機(jī)的實(shí)物部件和傳感設(shè)備，較好地還原了輸送機(jī)的外部運(yùn)行環(huán)境，具有較高的真實(shí)性。由于采用了大量的傳感測量設(shè)備，需要另外設(shè)計數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，這樣會降低信號的實(shí)時性和真實(shí)性。將皮帶輸送機(jī)整個系統(tǒng)均用數(shù)字化仿真模型來替代，系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需信號均通過高速接口與仿真模型進(jìn)行交換，適于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。該方法需要建立整個輸送機(jī)仿真模型，對建模的要求相對較高[4-5]。

基于上述分析研究，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將輸送機(jī)和異步電動機(jī)建立為Simulink模型，控制器通過OPC通訊和PLC給定將控制信息傳遞給仿真模型，而控制器所需要的各種狀態(tài)信號通過OPC通訊反饋給控制器，整個過程如圖1所示。

圖1 皮帶輸送機(jī)控制器仿真系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)選用的硬件設(shè)備有：PLC（包括有控制中樞CPU模塊、系統(tǒng)程序和使用程序的存儲器、電源模塊、網(wǎng)卡等），裝有MATLAB、SIMATIC NET軟件的計算機(jī)。

皮帶輸送機(jī)節(jié)能控制流程如圖2所示，首先根據(jù)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)量來給電機(jī)一個初始運(yùn)行速度，電機(jī)傳給輸送機(jī)轉(zhuǎn)矩來使其運(yùn)行，將運(yùn)行過程中輸送帶的帶速傳遞給控制器，經(jīng)控制器根據(jù)運(yùn)量與轉(zhuǎn)速優(yōu)化節(jié)能運(yùn)算后，將計算結(jié)果傳遞給電機(jī)，進(jìn)而對輸送機(jī)速度進(jìn)行控制，運(yùn)行過程中應(yīng)對輸送機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行觀測。

圖2 皮帶輸送機(jī)節(jié)能控制流程圖

[1]任中全，王淼.帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2016，35（5）：245-246.

[2]程軍，李愈清，陸文濤.基于變頻調(diào)速的煤礦帶式輸送機(jī)節(jié)能控制方法[J].電氣傳動，2013，43（11）：61-64.

[3]孫偉，王慧，楊海群.帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].工礦自動化，2013，39（4）：98-101.

[4]何仲波.帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能控制研究[J].神華科技，2013（2）：91-93.

[5]Hans Lauhoff，宋偉剛.帶式輸送機(jī)的速度控制與節(jié)能[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（5）：75-82.