鄭寶峰

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 興縣 033602）

1 研究背景

作為煤礦生產運輸的主要設備，皮帶輸送機正朝著大運量、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需要多臺大功率電機同時驅動，而在電機選擇時，通常要考慮25%～40%的富裕系數，同時受到工作面采掘不平衡影響，輸送機載荷也是不均勻的，因而其實際運行過程中處于滿載、輕載、空載三種不同狀態(tài)之中。若輸送機帶速與其運量不相匹配，則會導致能源的浪費，因此如何減小輸送機運行過程中的能源消耗，降低運輸成本，對提高煤炭企業(yè)經濟效益具有重要作用。

2 皮帶輸送機啟動過程中的節(jié)能優(yōu)化

長距離皮帶輸送機由多臺交流變頻電動機驅動，受到各種因素的影響，會出現電動機功率不平衡現象，從而導致電機負荷分配不均，嚴重時可能會燒毀電機。因而需要采取一定措施對輸送機功率平衡進行控制。

電機平衡受到靜態(tài)和動態(tài)兩類因素的影響，靜態(tài)因素取決于輸送機原始設計參數，良好的設計可使靜態(tài)功率平衡達到良好的效果；動態(tài)因素即輸送機運行過程中瞬時不平衡狀態(tài)，對動態(tài)功率不平衡現象能夠及時做出響應則可取得良好的效果。影響皮帶輸送機功率平衡靜態(tài)因素主要有：滾筒圍包角、輸送帶與滾筒間的摩擦因素、電機特性、傳動比及滾筒直徑差異等，因此輸送機在設計時應嚴格控制以上參數。動態(tài)因素主要有：輸送機運行阻力、電動機輸出的電磁轉矩等。具體生產實踐中，在輸送機靜態(tài)參數已經確定后，可通過供電頻率來進行電動機功率平衡的調節(jié)[1]。

傳統(tǒng)電機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設置統(tǒng)一的參數，所有電動機按照設定參數運行，主從控制即主要對主機參數進行設置，而從機通過對主機輸出進行跟蹤，最終實現同步運行。并行控制具有抗干擾性較差的缺點，而主從控制同步運行性差。

基于耦合補償的功率平衡方法，通過對每臺電動機運行參數變化值進行采集，對其運行參數差異進行分析，針對性地進行補償。這種方法同時考慮了單機驅動系統(tǒng)給定轉速與實際轉速之間的誤差及不同電機間的同步誤差。只要運行系統(tǒng)中任何一臺電機發(fā)生變化時，都會對整個系統(tǒng)發(fā)出反饋。對于雙機驅動電動機，通過控制器的雙向補償作用，可提高系統(tǒng)的同步精度。

對于雙機驅動系統(tǒng)，通過對兩臺電機的轉速和電流分析以得到其運行狀態(tài)。若兩臺電機分別處于發(fā)電和電動狀態(tài)時，對其負載率進行比較，當處于電動狀態(tài)的電機載荷較大時，說明此時輸送機對于電機而言是負載，需要增加牽引力，通過控制系統(tǒng)增大處于發(fā)電狀態(tài)的電機頻率，將其由發(fā)電狀態(tài)轉為電動狀態(tài)。當處于發(fā)電狀態(tài)的電機載荷較大時，說明此時輸送帶轉速高，帶動電機鉆孔，因此需要減小電動狀態(tài)下的電機頻率，將其由電動狀態(tài)轉為發(fā)電狀態(tài)，進行功率平衡控制。

3 皮帶輸送機變頻調速節(jié)能控制策略

皮帶輸送機節(jié)能技術主要有減電機運行節(jié)能技術、異步電機Y-Δ接法變換節(jié)能、降電壓技術及變頻調速節(jié)能方法等。通?？赏ㄟ^調速來實現電動機節(jié)能，變頻調速通過改變電源頻率來進行速度調節(jié)，具有響應速度快、輸出穩(wěn)定和節(jié)能等優(yōu)點，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g。由于礦用變頻器造價成本高、進口依賴性強，我國大多數煤礦生產企業(yè)多采用工頻拖動。采用工頻恒速運行方式會存在如下問題：若輸送機空載或者輕載會造成電能浪費，機械和輸送帶間的摩擦系數較大。為了提高輸送機的運輸效率，減少電能消耗，需采取措施對輸送機的帶速進行調節(jié)。

皮帶輸送機由電機驅動運轉，運行過程中輸送帶與滾筒、托輥等都會產生阻力，通常來說輸送機阻力主要有：輸送帶在托輥上的摩擦阻力、物料的擠壓阻力、托輥的運行阻力、輸送帶的彎曲擺動阻力等。對于具體皮帶輸送機而言，對皮帶輸送機功率影響的主要因素是輸送機的運量和帶速，當運量一定時，輸送機功率與帶速成正比，同理，若輸送帶帶速提高，則克服阻力所消耗功率也相應增加，因此，可以通過降低帶速來降低輸送機功率消耗，最終實現節(jié)能的目的[2]。

皮帶輸送機運量大小與生產地質條件及工藝設備有關系，因此可通過研究輸送帶帶速與物料充填率的關系來降低輸送機能耗。在運量一定的情況下，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，輸送帶帶速按設計的最小值予以選取。

4 皮帶輸送機控制器仿真系統(tǒng)設計

皮帶輸送機仿真控制系統(tǒng)主要由高速接口模塊、實時仿真模型及PC監(jiān)控系統(tǒng)三部分構成，其中實時仿真模型作為核心部件，具有實現仿真計算的功能，高速接口模塊通過高速計算來實現仿真模型和實物之間的數據轉換，PC監(jiān)控系統(tǒng)是一個人工操作及顯示平臺，能夠實現對仿真模型參數的實時修改，同時能夠顯示仿真系統(tǒng)的運行狀態(tài)及控制效果[3]。其運行過程如下：首先仿真模型按照原始設置參數運行，通過高速接口將運行結果傳輸到控制系統(tǒng)的實物中，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行計算；最后對控制器參數進行實時調整。

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

基于上述分析研究，基于現有實驗設備，將輸送機和異步電動機建立為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 皮帶輸送機控制器仿真系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)選用的硬件設備有：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、網卡等），裝有MATLAB、SIMATIC NET軟件的計算機。

皮帶輸送機節(jié)能控制流程如圖2所示，首先根據皮帶輸送機的運量來給電機一個初始運行速度，電機傳給輸送機轉矩來使其運行，將運行過程中輸送帶的帶速傳遞給控制器，經控制器根據運量與轉速優(yōu)化節(jié)能運算后，將計算結果傳遞給電機，進而對輸送機速度進行控制，運行過程中應對輸送機相關參數進行觀測。

圖2 皮帶輸送機節(jié)能控制流程圖

[1]任中全，王淼.帶式輸送機節(jié)能調速控制系統(tǒng)設計[J].煤炭技術，2016，35（5）：245-246.

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

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

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

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