皮帶機自適應調速控制模式的應用研究

李晉凱

（晉能控股煤業集團浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036000）

引言

皮帶機是煤礦井下物料運輸的核心裝備，具有結構緊湊、穩定性好、可靠性高的優點，其工作的穩定性和可靠性直接決定了井下物料運輸的安全性。隨著井下物料運輸距離的不斷增加，目前輸送機系統一般采用多組輸送機相互疊加的方式來保證物料的長距離運輸，但在實際使用的過程中發現由于輸送帶上的物料分布不均勻，因此在同一時間段內各個輸送機上的負載差異性很大，但為了保證物料運行的安全性，所有的輸送機組均采用高帶速運行模式，造成了極大的電能浪費，無法適應運輸經濟性的需求。

結合輸送機組的控制需求，本文提出了一種新的皮帶機自適應調速控制系統，采用全新的核子皮帶秤作為運量監測裝置并對帶速-運量關系進行分析的方案，實現了對輸送機運行過程中煤炭量的動態監測，同時確定了帶速-運量的匹配關系，同時采用基于電流均值法的驅動電機功率平衡控制策略實現了輸送機運行過程中多電機的功率平衡控制。

1 自適應調速控制系統

結合煤礦井下皮帶機的實際調速控制需求，本文所提出的皮帶機自適應調速控制系統整體結構如圖1所示[1]。

在該控制系統中，為了提高控制的效率并增強系統的擴展性，因此采用了地面控制主機+井下控制主站+區域控制分站的系統結構。區域控制分站位于輸送機旁邊，主要用于對各輸送機運行狀態的直接監測，而且區域控制分站能夠根據輸送機系統的不同進行靈活的增減，具有極高的擴展能力?？刂品终精@取各輸送機系統的運行狀態信息后將其傳遞到井下控制主站，控制主站對各輸送機系統的整體運行狀態進行分析，并對各個輸送機單元發出調整指令，滿足輸送機系統整體均衡運行的需求，同時將分析結果傳遞給地面控制主機，便于監控人員實時掌握輸送機系統的整體運行情況，當出現緊急情況時，地面控制中心的監控人員將直接發出調控指令給井下控制主站，實現對輸送機系統運行狀態的遠程調節。

圖1 自適應調速系統結構示意圖

2 帶速-運量匹配原理

輸送機系統在運行的過程中最突出的問題是，同一時間段不同輸送機上的物料負載不同，而輸送機系統均以最大匹配速度運行，因此導致了運行能量消耗大、輸送帶磨損量大，難以實現井下物料運輸的經濟性。其控制難點在于對輸送帶上物料重量的監測以及對帶速-運量的合理匹配方案，在對多種方案分析后，本文提出了采用核子皮帶秤作為運量監測裝置并對帶速-運量關系進行分析的方案[2]，實現了輸送機系統帶速-運量的合理匹配。核子皮帶秤運量監測原理如下頁圖2所示。

由下頁圖2可知，核子皮帶秤的工作采用了朗伯比爾定律[3]，皮帶秤不斷的向著輸送帶上的煤炭發出環形的射線，射線穿過煤炭后會衰減，接收裝置接收到衰減后的射線源后，根據衰減量即可確定出區域內煤炭的厚度，從而實現對輸送帶上煤炭分布量的實時監測。

圖2 核子皮帶秤監測原理示意圖

該監測方案的優點在于采用了非接觸式測量模式，解決了傳統電子秤在使用過程中受輸送帶波動影響監測誤差大的不足，實現了對輸送帶上物料狀態的實時監測。

根據對輸送機運行負載狀態及耗電量的分析，輸送機在經濟條件下的帶速v-運量Q關系可表示為[4]：

式中：qm為表示輸送帶上煤炭堆積的線密度。

輸送機在運行過程中理論上的煤炭堆積線密度應不超過系統的設定值[5]，理論上運量為零的情況下輸送帶的帶速應為零，但這樣會導致輸送帶頻繁的調整運行速度，增加耗電量和對電網的沖擊，因此設定當運量低于理論運量后，系統將統一采用最低運行帶速運行，保證運輸經濟性和運輸效率的統一。

3 多電機功率平衡控制

由于輸送機系統一般均采用多電機驅動，在運行過程中經常出現功率分配不均導致的驅動電機過載損壞現象，因此在該智能控制系統中，提出了一種新的基于電流均值法的驅動電機功率平衡控制策略[6]。以三臺電機驅動系統為例，三臺電機的電壓和電流均具有對稱性[7]，每個驅動電機都有一個與之匹配的柔性驅動控制裝置，在工作的過程中可以根據調節控制信號來對比例閥線圈的電流進行調整，進而實現對離合器油缸油壓大小的控制，通過對油膜后的和輸出轉矩的調整，進而實現對各電機運行功率的平衡控制，該控制原理如圖3所示[8]。

圖3 基于電流均值法的功率平衡控制原理

根據在煤礦井下的實際應用，該自適應調速控制模式，能夠根據輸送機系統上物料分布情況，靈活的調整輸送機系統的運行帶速，其平均運行帶速由最初的4.2 m/s降低到了目前的3.71 m/s，降低了11.7%，輸送機運行過程中的耗電量降低了8.6%，對提高輸送機系統的運行穩定性和可靠性具有十分重要的意義。

4 結論

1）為了提高控制的效率并增強系統的擴展性，自適應控制系統采用了地面控制主機+井下控制主站+區域控制分站的系統結構，擴展性高；

2）核子皮帶秤采用了非接觸式測量模式，解決了傳統電子秤在使用過程中受輸送帶波動影響監測誤差大的不足，實現了對輸送帶上物料狀態的實時監測；

3）基于電流均值法的驅動電機功率平衡控制策略，能夠實現對各驅動電機運行情況的快速調整，實現各電機運行功率的平衡；

4）新的控制系統將輸送機的平均運行帶速降低了11.7%，運行過程中的耗電量降低了8.6%，對提高輸送機系統的運行穩定性和可靠性具有十分重要的意義。