帶式輸送機節能調速控制系統設計研究

王 磊

（鐵峰煤業有限公司， 山西 朔州 037200）

引言

隨著國家能源結構的不斷調整，煤炭產能過剩現象愈加嚴重，煤炭企業由前期的滿負荷生產變成間斷性生產。帶式輸送機作為煤炭井下生產的主要運輸設備，由于煤炭的間隔性生產造成了帶式輸送機運輸的不均衡，設備常處于空載或半負載狀態。傳統的帶式輸送機控制系統大多采用冗余原則設計，設備運行功率設定常高于滿載所需功率，造成了巨大的電力能源浪費。針對這一現象，本文提出了采用基于模糊控制算法的帶式輸送機節能調速控制系統設計研究，通過實時調節帶式輸送機運行速度，在滿足生產所需的前提下，減少設備能源損耗，提高能源利用率，提升企業經濟效益。

1 帶式輸送機基本結構及功耗影響因素分析

帶式輸送機主要由電動機、輸送帶、托輥、減速器、支架、自動張緊裝置、保護系統和制動系統組成。帶式輸送機系統結構示意圖如圖1 所示。帶式輸送機的主要動力來源是電動機，減速機的主要作用是降速增扭，輸送帶是物料運輸的主要承載物，滾筒接收到動力供給后以摩擦力的形式驅動輸送帶運行，完成設備運輸工作。

圖1 帶式輸送機系統結構示意圖

帶式輸送機的功耗影響因素主要包括基礎功耗、地勢傾斜功耗、附加功耗以及特殊功耗。其中，基礎功耗包括托輥運行造成的功耗、物料擠壓造成的功耗、壓陷造成的功耗以及輸送帶彎折造成的功耗；地勢傾斜功耗主要是由于在實際生產過程中機頭與機尾存在一定角度，設備需克服物料以及設備重力運輸而造成的功耗；附加功耗主要包括滾筒處功耗和落料區功耗；特殊功耗是其他輔助裝置在使用過程中造成的功耗，對于長距離大型帶式輸送機來說，該功耗可以忽略不計。通過上述分析可知，基礎功耗與附加功耗主要與帶式輸送機的帶速與運載量有關，地勢傾斜功耗與傾角與運載量有關系，特殊功耗忽略。因此，可降低設備運行功耗的主要指標為設備的帶速與運載量[1-3]。

2 帶式輸送機節能調速控制系統設計

2.1 硬件設計

通過帶式輸送機功耗影響因素分析可知，影響帶式輸送機運行功耗的主要因素可歸納為運載量與帶速，帶式輸送機節能調速控制系統只需依據不同的運載量對設備的運行帶速進行相應調節即可起到節能的效果。節能調速控制系統主要由上位機部分、下位機部分、傳感監測部分、執行部分、分析部分以及被控部分，如圖2 所示。其中，傳感器監測部分是系統最重要的信息采集部件，是控制系統運行的前提。本文需用到的傳感器包括溫度傳感器、煤位監測傳感器、皮帶跑偏傳感器、煙霧傳感器以及縱撕開關等；變頻器的主要作用是通過改變電動機電源頻率實現對電動機轉速的控制，也就實現了對帶式輸送機帶速的控制；PLC 可編程控制器是整個節能調速控制系統的核心部件，通過接收各傳感器收集的設備運行信號，對設備運行模擬信號進行分析處理，然后將對變頻器發出控制信號，從而實現對系統運行速度的控制；上位機系統主要由組態王以及MATLAB 軟件組成，系統的主要作用是對帶式輸送機的運行狀態與運行參數進行分析計算處理，同時還需將處理前后的數據顯示出來。

圖2 節能調速控制系統結構示意圖

帶式輸送機節能調速控制系統是通過速度傳感器、皮帶秤以及煤位測量傳感器對輸送機的帶速、載重以及煤位進行數據采集監測的，將采集到的數據傳輸至可編程控制器以及上位機系統后，上位機系統與可編程控制器會對信號進行分析處理，然后輸出控制信息至變頻器，從而實現帶速依據運載量的不同而進行節能調節。

2.2 模糊控制算法設計

現階段，較為常有的控制方法主要有最優控制、PID 控制以及模糊控制。其中，PID 控制出現最早，且是應用最為廣泛的技術。模糊控制最為成熟，具有適用范圍廣、結構簡單、應用方便等特點。PID 控制在精確方面性能雖強于模糊控制，但在抗干擾能力、適應性能力等方面顯著劣于模糊控制。由煤炭井下工作環境較為復雜，系統抗干擾能力更為重要，故本文選擇模糊控制算法。

模糊控制是指依據大量過往的控制數據或實際的控制規則，利用計算機等儀器對帶式輸送機系統實施自動控制的方法。與傳統的控制模型相比，模糊控制方法不需要有固定的數學模型，只需通過對大量數據進行不斷學習即可。模糊控制系統主要由控制器與系統所控制的對象兩部分組成，控制器又由接口、數據庫、規則庫以及推理機組成，其基本結構示意圖如圖3 所示。推理機是模糊控制器的核心部件，可根據原先設定好的數據庫與規則庫，運用模糊概念對信號進行擬人運算處理，完成模糊控制。接口可分模糊化接口與反模糊化接口，主要作用是實現設備運行數據信號與模糊信號的轉換[4-6]。

圖3 模糊控制系統基本結構示意圖

2.3 軟件設計

節能調速控制系統的軟件需實現的功能有數據顯示、數據運算、數據儲存、系統控制以及系統預警等。本文的模糊控制軟件主要采用西門子公司的STEP7-Micro/WIN SMART 軟件進行設計，軟件系統數據采集主要通過可編程控制器完成，系統通信通過OPC 軟件完成，報表以及各類數據曲線主要通過組態軟件完成。節能調速控制系統軟件速度控制流程如圖4 所示。

圖4 節能調速控制系統軟件速度控制流程

監控系統軟件主要采用組態王kingview 軟件進行設計，組態王kingview 軟件使用方便、運行穩定、成本低、性價比高，較為適合本系統監控軟件界面設計。監控系統界面總共分初始界面、操作主界面、系統控制界面、警報界面以及設備安全判定界面，實現了軟件的數據顯示以及系統預警功能[7-10]。

3 節能調速控制系統節能分析

將上述帶式輸送機節能調速控制系統應用于某煤礦，該煤礦的帶式輸送機相關參數為：輸送帶長度為1 840 m，寬度為2 200 mm，輸送帶運行最大速度為7 m/s，設備運行傾角為10°。輸送機一天運行時間約為21 h，一年工作時間約為300 d。對比控制系統改造前后電能損耗，發現系統改造后每天約節省電能2 865 kWh，以0.5 元/kWh 的費用進行計算，某煤礦一年節省的電費約為43 萬元。

4 結論

現階段，煤炭井下生產已無法保證生產的滿負荷，使得井下帶式輸送機常處于半復雜或者空載狀態，造成了企業電能的極大浪費。針對這一現象，本文提出了基于模糊控制算法的帶式輸送機節能調速控制系統設計研究，通過研究分析本文得出了以下結論：

1）通過協調帶式輸送機運行帶速與運載量關系，可有效降低設備能源損耗，降低企業成本。

2）運用模糊控制的方法對帶式輸送機控制系統進行優化改造可有效降低設備電能損耗，經系統節能分析，帶式輸送機節能調速控制系統一年可為企業節省電費約43 萬元，符合節能設計要求。