(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，其上鋪?zhàn)訙仙笆庸は到y(tǒng)的料源位于系統(tǒng)上游3.7km處的金波石料場(chǎng)，開采的石料就地粗破后，通過半成品帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至上鋪?zhàn)訙仙笆庸は到y(tǒng)，加工分級(jí)為成品骨料后，再由成品料帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至高、低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，帶式輸送機(jī)總長(zhǎng)7.1km[1]。帶式輸送機(jī)耗電量大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、帶速與運(yùn)量無法合理匹配，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)長(zhǎng)期在半載、輕載工況下高速運(yùn)行，造成極大的電能浪費(fèi)和設(shè)備磨損。

2 傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)存在的問題

長(zhǎng)距離帶式輸送系統(tǒng)生產(chǎn)用電量大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率在設(shè)計(jì)選型時(shí)，一般是按最大運(yùn)量并考慮重負(fù)荷停機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)備功率的選擇，帶式輸送機(jī)配置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一般均有20%～40%富余量，加上帶式輸送機(jī)受前方生產(chǎn)不均衡的影響，經(jīng)常處于輕載、空載運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于50%以下的低效率工作狀態(tài)。電機(jī)工作效率沒有很好地發(fā)揮，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)長(zhǎng)期在半載、輕載工況下高速運(yùn)行，造成極大的電能浪費(fèi)。

帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，空載、輕載、重載狀態(tài)下均為高速運(yùn)行，而空載和輕載時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、滾筒、托輥、膠帶等設(shè)備產(chǎn)生了不必要的磨損和電能消耗，縮短了設(shè)備的使用壽命。

3 智能調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行分析

智能調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能主要通過減少做無用功消耗的電能和提高電機(jī)的工作效率來考慮。根據(jù)DIN 22101設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)行工況，可將帶式輸送機(jī)能耗的運(yùn)行功率劃分為空載運(yùn)行功率、水平載物功率、提升功率、附加功率等四類功率之和[2]，即：

式中：P1——空載消耗功率，kW；

P2——附加功率，kW；

f——輸送帶的阻力系數(shù)，可按帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)選用，見表1；

L——帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度，m；

δ——輸送帶的傾角，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)輸送帶的傾角小于18°時(shí)cosδ=1；

Qm——物料流量，t/h；

ν2——帶速，m/s；

H——提升高度，m。

表1 輸送帶阻力系數(shù)取值[3]

可以看出，對(duì)于工況中確定的帶式輸送機(jī)，能耗主要與運(yùn)量、帶速、阻力系數(shù)有關(guān)，而阻力系數(shù)與帶速相關(guān)，帶速越高，阻力系數(shù)取值約大。帶速計(jì)算公式如下：

式中：qm——單位長(zhǎng)度物料運(yùn)量，kg/m。

當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量變小時(shí)，通過減小頻率使帶速與物料流量相匹配，從而節(jié)能；當(dāng)物料量增加時(shí)，帶速也相應(yīng)地增加。當(dāng)帶速與物料流量匹配最好時(shí)節(jié)能效果最理想，因此，需要用自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度的方法來達(dá)到節(jié)能目的。

4 調(diào)速控制方案的研究與比選

帶式輸送機(jī)在輸送物料的過程中，受前方生產(chǎn)量需求的變化、料倉卸料點(diǎn)不均衡等因素影響，輸送帶上的運(yùn)輸量是不均勻的，很難保證運(yùn)輸量長(zhǎng)時(shí)間在某一穩(wěn)定值運(yùn)行。調(diào)速方案研究初期，擬選用變頻閉環(huán)調(diào)速方案，利用變頻器對(duì)輸送量、功率、速度的反饋進(jìn)行分析計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)際運(yùn)行后，由于運(yùn)輸量的變化導(dǎo)致變頻器頻率調(diào)整過于頻繁，變頻器發(fā)熱量大，對(duì)變頻器的安全運(yùn)行存在極大的安全隱患。長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)設(shè)備功率大，相應(yīng)配套的變頻器費(fèi)用高，一旦變頻器出現(xiàn)故障將產(chǎn)生較大的影響和損失，因此，智能調(diào)速方案必需在保證生產(chǎn)安全的前提下，匹配運(yùn)輸量完成調(diào)速功能[4]。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，調(diào)速系統(tǒng)的最佳方案是根據(jù)能耗反饋，將速度和調(diào)速范圍控制在一定區(qū)間，根據(jù)對(duì)能耗、電流、輸送量、速度等運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，采用模糊控制確定輸送量和相對(duì)應(yīng)的調(diào)速區(qū)間，采用定值進(jìn)行調(diào)速，進(jìn)而在實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)速度跟隨運(yùn)輸量變化而變化的同時(shí)，保證低速不灑料，變速平穩(wěn)無故障、不連續(xù)變速等系統(tǒng)要求。調(diào)速在系統(tǒng)實(shí)施過程中，在不影響生產(chǎn)的前提下調(diào)試，保證所需數(shù)據(jù)的采集，反復(fù)驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)，增加多個(gè)保證安全的措施。結(jié)果表明，調(diào)速效果很好，節(jié)能效果明顯，能達(dá)到預(yù)期效果。

5 調(diào)速控制系統(tǒng)組成及工作原理

智能調(diào)速控制系統(tǒng)包括變頻傳送部分、邏輯控制部分和采樣反饋部分。

變頻傳送部分采用變頻調(diào)速裝置控制電機(jī)，使輸送機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的加速度、減速度，運(yùn)行時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度。

邏輯控制部分由PLC和上位機(jī)構(gòu)成。對(duì)設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速控制；對(duì)傳感器采集來的信號(hào)進(jìn)行分析和處理；對(duì)輸送帶按設(shè)定的區(qū)間進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)。

采樣反饋部分為皮帶秤動(dòng)態(tài)稱重傳感器和輸送帶速度傳感器。獲取帶式輸送機(jī)瞬時(shí)物料流量和輸送帶運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，采集變頻器運(yùn)行功耗，并把采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析。依據(jù)輸送帶上的實(shí)時(shí)載荷和帶速對(duì)輸送帶變頻器輸出功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步通過模糊控制算法構(gòu)建輸送帶速度、負(fù)載和能耗模糊控制器模型，得到輸送量和帶速的最佳匹配關(guān)系，將帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速率和功率匹配在一定的區(qū)間進(jìn)行定值調(diào)速，輸送量在確定的區(qū)間相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)變量器輸出頻率(圖1)，從而控制帶式輸送機(jī)的節(jié)能運(yùn)行和安全運(yùn)行[5]。

圖1 調(diào)速控制系統(tǒng)框架

5.1 調(diào)速參考源

為準(zhǔn)確掌握帶式輸送量，采用懸浮式皮帶秤進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱量，利用帶式輸送機(jī)安裝的重量傳感器及速度傳感器，通過與控制系統(tǒng)通訊和計(jì)算，將運(yùn)輸量反饋至控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面，按其所顯示的瞬時(shí)流量，再通過一定的方法計(jì)算出累計(jì)流量。

為進(jìn)一步保證輸送量測(cè)量的準(zhǔn)確性，避免皮帶秤測(cè)量存在偏差時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正。利用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料過程中，設(shè)備轉(zhuǎn)矩、電流、功率均能反應(yīng)負(fù)載大小的變化，且基本成線值變化，因此，通過讀取設(shè)備運(yùn)行的功率和速度，進(jìn)行相應(yīng)的比例計(jì)算得出帶式輸送運(yùn)輸量，該數(shù)值與皮帶秤稱量值進(jìn)行比較，設(shè)定相應(yīng)的偏差域模糊計(jì)算分析，對(duì)皮帶秤檢測(cè)值進(jìn)行校核和預(yù)警，從而保證調(diào)速參考源的準(zhǔn)確性。

5.2 控制原理

控制系統(tǒng)通過采集帶式輸送機(jī)運(yùn)輸速度、啟停開關(guān)量狀態(tài)、運(yùn)輸電流、運(yùn)輸功率、運(yùn)輸時(shí)間、瞬時(shí)運(yùn)輸量、累計(jì)運(yùn)輸量數(shù)據(jù)、上級(jí)帶式輸送機(jī)變頻器參數(shù)(包含驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、功率及相關(guān)開關(guān)量狀態(tài)等)，控制系統(tǒng)通過規(guī)則庫制定，將檢測(cè)數(shù)據(jù)和邏輯指令數(shù)據(jù)化，將多條件變量變?yōu)榭梢詧?zhí)行的數(shù)據(jù)輸出表。

模糊控制原理中，規(guī)則庫是由若干條模糊語言控制規(guī)則所組成的，這些控制規(guī)則來自于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)，規(guī)則庫中的控制規(guī)則可以用語言規(guī)則形式給出。“如果—?jiǎng)t—”是規(guī)則的基本形式，語句的前半部分是條件或前提，后半部分是結(jié)果，因此，這種規(guī)則蘊(yùn)含著一種邏輯推理。

根據(jù)控制規(guī)則，整理出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出表，通過軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速的功能。整理控制規(guī)則庫見表2。

表2 智能調(diào)速控制規(guī)則庫

6 結(jié)語

以楊房溝水電站上鋪?zhàn)訙仙笆庸は到y(tǒng)的半成品、成品料長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)為依托，分析出通過減少帶式輸送機(jī)做無用功消耗和提高電機(jī)工作效率的方式來達(dá)到降低能耗的目的，經(jīng)研究比選確定最佳方案是：根據(jù)能耗反饋，采用模糊控制算法構(gòu)建輸送帶速度、功率和運(yùn)量匹配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)智能調(diào)速。楊房溝水電站上鋪?zhàn)訙仙笆庸は到y(tǒng)的半成品輸送線主要設(shè)備整機(jī)額定功率為3×355kW，長(zhǎng)度3.7km，實(shí)測(cè)電量分析，采用常規(guī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，半成品輸送線單位耗電量為1.08kW·h/t，使用智能調(diào)速系統(tǒng)后，帶速根據(jù)實(shí)際運(yùn)量的變化而變化，單位耗電量降低至0.94kW·h/t，整體節(jié)能13%，效果明顯；另一方面，應(yīng)用智能調(diào)速系統(tǒng)后，帶式輸送機(jī)總體上降低了運(yùn)行速度，減小了電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、滾筒、托輥、膠帶等設(shè)備的磨損和消耗，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，所取得的經(jīng)驗(yàn)可為其他類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和參考。