帶式輸送機節能控制系統的設計

趙云平

（西山煤電集團有限責任公司官地煤礦運輸區， 山西 太原 032200）

引言

帶式輸送機在煤炭行業占有極其重要的地位，能廣泛應用于煤礦井下煤料的運輸中，在綜采工作面、短壁開采工作面都發揮著不可替代的作用。傳統的帶式輸送機控制系統采用簡單的開環控制，不考慮重載、輕載、空載情況，始終以額定帶速運轉，導致帶式輸送機消耗電能巨大、機械磨損嚴重、生產成本增加、生產效率下降[1]。國外對帶式輸送機控制系統的研究較早，其運行性能、可靠性、自動化程度較高，如采用在線監測、實時分析、多機驅動以及功率平衡算法等技術，保證帶式輸送機的運行性能。國內對帶式輸送機控制系統的研究較晚，在借鑒國外研究成果的基礎上，在基于帶式輸送機的軟啟動、變頻控制、功率平衡以及動態分析與監測等方面取得了一些成果并應用生產實踐[2-4]。為降低帶式輸送機耗電，研究并設計基于模糊控制的帶式輸送機節能控制系統，在保證其運行安全、穩定、連續的情況下，達到節能降耗的目的。

1 節能原理分析

帶式輸送機運行時，影響其功率的重要參數為煤料運量和帶速。當帶式輸送機的運量一定時，帶速與功率成正比；當帶式輸送機的速度一定時，煤料運量越大，消耗功率越高。帶式輸送機的帶速與功率的關系曲線如圖1 所示，其中Q1、Q2、Q3為帶式輸送機的運量，v為帶式輸送機的運行速度，P為帶式輸送機的輸出功率。

為降低帶式輸送機輸出功率，必須減小帶速，達到節能減排的目的。但是，由圖1 可知，帶式輸送機的帶速減小時，煤料運量也會相應減少；隨著帶速減小，帶式輸送機的皮帶在單位面積內收到的張力會增大[5]。因此，在設計帶式輸送機節能控制系統時，必須以煤料運量與帶式輸送機的皮帶寬度為限制條件。在滿足限制條件時，選取較低的帶速作為帶式輸送機的運行速度，達到節能的目的。定義qm為帶式輸送機在運行時允許的最大煤料線密度，則帶速與煤料運量之間的關系可表示為公式（1）：

圖1 帶式輸送機帶速與功率關系曲線

為保證帶式輸送機安全、穩定運行，qm必須維持不變。則由式（1）可知，帶式輸送機的煤料運量增大時，帶速隨之增加；帶式輸送機的煤料運量減小時，帶速隨之減小。根據帶式輸送機實際運行情況可知，當煤料運量較小或為零時，保持帶速為最小值即可。帶式輸送機帶速與煤料運量Q之間的關系曲線見圖2 所示，帶速最小為vmin，其關系可表示為公式（2）以及公式（3）：

圖2 帶式輸送機帶速與煤料運量關系曲線

由上述分析可知：當煤料運量較小時，由控制器減小變頻器的運行頻率，降低電機轉速，進而使帶式輸送機的帶速與煤料運量相匹配；當煤料運量較大時，由控制器增加變頻器的運行頻率，增加電機轉速，進而調整帶速與煤料運量達到最優匹配，最終達到節能的效果。

2 控制系統的設計

2.1 模糊控制器的設計

將帶式輸送機的煤料運料偏差q，帶速偏差e以及帶速偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，將帶式輸送機的三臺電機的頻率f作為模糊控制器的輸出，即設計三輸入一輸出的模糊控制器。利用PLC 控制器，控制變頻器的運行頻率f，進而調節帶速。

定義煤料運量偏差的基本論域為{-q，q}，帶速偏差的基本論域為{-e，e}，帶速偏差變化率的基本論域為{-ec，ec}，電機運行頻率的基本論域為{-q，q}。對輸入/輸出基本論域進行量化，并得到各自對應的量化論域。根據量化論域創建模糊控制變量賦值表以及模糊控制規則[6]。最后，利用加權平均法設計模糊控制器推理。所設計的帶式輸送機模糊控制系統見圖3 所示，PLC 控制器除執行邏輯控制外，還必須將所設計的模糊控制算法的結果存入其M區內，實際對三臺電機進行控制時，只需查表即可。帶式輸送機n的取值為0～1 495 r/min，v取值為0～4.5 m/s，則n與v的關系可表示為式（4）：

即調節控制帶式輸送機電機的變頻器運行頻率，即可對帶速進行調節，達到節能運行的目的。

圖3 帶式輸送機模糊控制系統設計

2.2 軟件程序的設計

帶式輸送機節能控制系統軟件設計流程見圖4所示，PLC 控制器根據實際運行工況，對三臺電機的運行頻率進行修正，進行達到調速帶式輸送機運行速度的目的。根據設計的PLC 軟件流程，進入功率模糊控制子程序，采集三臺電機輸出電流，并計算其平均值。以2 號電機為例，如果其實時輸出電流值大于平均電流值且其比值大于105%，則減小2 號變頻器的輸出頻率；如果其比值小于95%，則增大2 號變頻器的輸出頻率。否則，PLC 控制器會循環采集電機輸出電流。

圖4 帶式輸送機節能控制系統軟件流程

3 節能分析

以某礦主斜井帶式輸送機為例，進行節能分析，主要參數信息為：礦井年產量5 Mt/年，帶式輸送機長度L=1 860 m+2 100 m，帶寬B=1 500 mm，運量Q=2 500 t/h，帶速v=4.5 m/s，傾角為6°，電機由三臺，額定電壓為6 kV，功率為1 400 kW，年工作日為300 d，日工作18 h。根據上述參數計算有：Q=（5×106）/（300×18）≈925t/h；冗余比為（2500-925）/2500≈63%。

改造前，該帶式輸送機為恒速運行模式，則年耗電量W1=3×1400×300×18×0.63=14 288 400 kWh。

改造后，該帶速輸送機的煤料運量為額定運量的50%時，帶速為2.5m/s，電機功率為1 050 kW，則年耗電量W2=1 050×300×18=5 670 000 kWh。

年節約耗電量為ΔW=W1-W2=14 288 400-5 670 000 =8 618 400 kWh。節電率η=8 618 400/14 288 400=60.3%。

4 結語

帶式輸送機采用節能控制系統后，節電效果明顯，達到預期設計目標。以變頻方式驅動三臺電機運行，使其啟動電流較小，可實現平滑啟動。通過調節變頻器的運行頻率，進而調整帶式輸送機的帶速，使得其機頭電機功率和機尾電機功率不平衡。因此，在后續需要研究節能控制系統中機頭/機尾電機功率平衡問題，保證帶式輸送安全、穩定、有效運行。