帶式輸送機節能控制系統設計研究

郭 凱， 崔世杰， 曹永愛

（山西科達自控股份有限公司， 山西 太原 030006）

引言

現階段，帶式輸送機主要采用恒速運行模式，為保證帶式輸送機運載能力一般按最大載重進行帶速設定。但是，在實際使用過程中輸送機不可能時時刻刻滿載，此時的帶式輸送機仍以最大載重帶速運行，這使得設備磨損大大增加，同時也造成了大馬拉小車的現象，造成設備能源使用的大量浪費。據相關能源統計，帶式輸送機的能源使用率只有45%，半數以上的能源被浪費，能源使用率低下[1-3]。針對這一現象，本文擬設計出一套帶式輸送機控制系統，通過模糊控制的方法使輸送機的帶速隨著給煤量、載重、煤量變化率等指標的變化而進行相應調節，使其避免設備能源的浪費，提高能源使用率。

1 帶式輸送機控制系統節能分析

帶式輸送機主要由托輥、張緊裝置、輸送帶、滾筒等組成。其結構示意圖如圖1 所示。在實際煤炭企業生產中，皮帶運輸系統的啟動采用逆煤流啟動方法，順序一般為主運皮帶機的啟動、順槽皮帶機的啟動、采煤機的啟動。在皮帶運輸系統啟動的過程中，帶式輸送機等設備的皮帶上是沒有進行煤炭運輸的，這就造成了皮帶運輸系統的能源浪費。再加上日常生產過程中出現設備故障、損壞需要企業停產，或者煤炭生產能力無法達到輸送機運輸能力的最大值，輸送機的運行都會造成設備能源或多或少的浪費。故本文擬設計一款帶式輸送機控制系統可隨裝載量的變化而進行帶速調節，減少能源消耗，提高設備能源使用效率。

圖1 帶式輸送機結構示意圖

2 帶式輸送機節能控制系統設計

2.1 調速節能控制方法

常用的調速節能控制方法由最優控制、自適應控制、模糊控制和PID 控制四種方法。其中，PID 控制方法應用最為廣泛，是自動化領域最主要的線性控制方法。模糊控制法較次，屬于非線性控制方法。PID 控制方法精度高、參數控制明顯，但在抗干擾與適應性方面較模糊控制法差。考慮到煤炭企業生產過程中，工作環境復雜多變，干擾較多，且帶式輸送機的模型應看成較復雜的非線性系統，故本文采用模糊控制的方法進行節能設計。

模糊控制系統主要分為控制器與控制對象兩部分，其具體組成結構示意圖如圖2 所示。控制器主要分為接口、推理機和知識庫三部分。知識庫由規則庫與數據庫組成，其功能主要為將誤差及其相關數據轉化為可供控制器使用的數據、邏輯推理的完善、邏輯推理結果的對應。接口主要是進行數據與模擬量的轉換。推理機是模糊控制方法的核心部件，其主要功能是依據知識庫進行相應的程序運算，具有基于模糊控制的推理運算能力。

圖2 模糊控制系統組成結構示意圖

2.2 模糊控制優化設計

通過控制系統節能分析可知，控制帶速的指標應包括載重、煤倉煤位、給煤量變化率以及載重變化率，對其進行具體結構設計如下頁圖3 所示。

圖3 模糊控制系統結構示意圖

將載重以及煤倉煤位輸入控制系統后，經控制系統計算后可得出電機的轉速數值，從而進行輸送機的帶速控制。應用于不同場景與不同情況下的帶式輸送機所設定的輸入指標也不相同，當輸送機應用于不帶煤倉的煤礦中時，采煤機開采時間、載重與載重變化率則成為主要控制指標，其他情況同理。

2.3 交流變頻調速系統設計

交流變頻調速系統隨著科技的不斷發展已趨于成熟。變頻調速系統具有調速性能好、負載適應力強、體積小、容量大、性價比高等特點，是帶式輸送機節能優化設計的首選。變頻器主要使用交-直-交變換模式，其電路主要有整流、中間直流以及逆變三個環節。交-直-交變頻控制模式共有三種，分別為可控整流器+逆變器的調壓調頻控制方式；二極管整流+斬波器+逆變器的調壓調頻控制方式；PWM逆變器的調壓調頻控制方式。本文擬選用第三種調壓調頻方法進行控制。PWM 逆變器控制法較前兩種優勢較多，當PWM 逆變器的輸出電壓脈寬按照正弦的規律發生變化時，電動機電流變化也可近似于正弦，使諧波影響降低，電網波形畸變概率減小，使控制系統功率因素提高。將第三種方法應用于控制系統中，其具體的系統結構示意圖如圖4 所示。

圖4 交流變頻調速控制系統結構示意圖

2.4 其他硬件設計

2.4.1 傳感器及測量儀表

本設計需運用到的傳感器及測量儀表主要有溫度傳感器、煙霧傳感器、煤位測量傳感器、電參數測量模塊、跑偏開關、縱撕測量開關，其可以對皮帶的帶速、跑偏度、溫度、縱撕度以及礦井煙霧、功率進行參數測量。

2.4.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器簡稱PLC，以現代微處理技術為核心，對現場作業實現自動化的控器。可編程邏輯控制器主要分為輸入模塊、輸出模塊、主控模塊以及開關輸入、輸出模塊。其中，輸入模塊主要用于接收傳感器等測量設備的輸出信號，輸出模塊主要對變頻器進行信號輸出，開關量輸入與輸出模塊主要用于接收信號與控制繼電器，主控模塊主要是進行數據存儲與運算，并通過TCP/IP 協議與上位機進行連接。

2.4.3 電參數采集模塊

電參數采集模塊主要是進行輸送機運行時的電流、功率、電壓等電力參數的采集。電參數采集模塊采用三相電參數采集模塊，模塊支持RS485 與RS232接口，支持LC-01、MODBUS-RTU 以及ASCII 協議。

3 系統測試

按照上述設計方法，對帶式輸送機控制系統進行組裝并進行測試后發現，帶式輸送機運行平穩，帶速可隨著載重、煤倉煤位、給煤量變化率以及載重變化率的變化進行調整，設備能源消耗大大降低。經測試，帶式輸送機的能源使用率提升為69.5%，節能效果顯著，可用于實際生產之中。

4 結論

1）模糊控制具有抗干擾能力高、適應性強等特點，較最優控制、自適應控制和PID 控制方法更為適合應用于帶式輸送機控制系統。

2）經帶式輸送機控制系統節能優化設計，帶式輸送機控制系統運行平穩、可靠，帶速可隨著載重、煤倉煤位、給煤量變化率以及載重變化率的變化進行相應調整，能源使用率顯著提升，提高為69.5%，達到系統節能目的。