楊引鎖

(山西焦煤西山煤電 山西西山金信建筑有限公司， 山西 古交 030200)

0 引言

帶式輸送機(jī)是一種較復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦井、選煤廠、港口等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)帶式輸送機(jī)以最大載重為參考的恒速方式運(yùn)行，即帶式輸送機(jī)輕載、空載時(shí)，也按照額定速度運(yùn)行，這樣不僅加劇了機(jī)械磨損，而且會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的巨大浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)近8 000座礦井，每年電能消耗近200億kW·h，如果將節(jié)能調(diào)速控制技術(shù)應(yīng)用與帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)，每年至少可節(jié)約電能50億kW·h[1]。另外，采用恒速運(yùn)行的帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)效率只有40%左右，采用節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)，可較大提高其生產(chǎn)效率。

由于帶式輸送機(jī)巨大的耗電量和極低的生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在保證其安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，研究節(jié)能調(diào)速控制技術(shù)并將其成果應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)實(shí)踐。國(guó)外在研究帶式輸送機(jī)變頻控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和智能監(jiān)控，建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者借鑒國(guó)外研究成果，逐漸將PID控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方案，并在多個(gè)礦井進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)[2-4]。以帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，采用模糊控制技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工況，提出3種調(diào)速方案，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行分析并完成工業(yè)試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)組成

帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，由控制單元、執(zhí)行單元以及檢測(cè)單元3部分組成，檢測(cè)單元以傳感器檢測(cè)模式獲取帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，傳送給控制單元?？刂茊卧械腜LC控制器對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并進(jìn)行邏輯處理，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元中的主變頻器/從變頻器對(duì)主電動(dòng)機(jī)/從電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制，保證帶式輸送機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際工況機(jī)進(jìn)行速度動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖1 帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)組成

PLC控制器可以通過CAN、CanOpen、Profibus-DP等多種方式與變頻器進(jìn)行通信，并控制變頻器的頻率和電壓，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在PLC控制器中實(shí)現(xiàn)模糊決策帶速給定策略，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 基本理論依據(jù)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)中用到的基本理論有模糊控制原理以及變頻調(diào)速原理。模糊控制器將誤差和誤差變化率轉(zhuǎn)換為控制器可接受的數(shù)值，并根據(jù)已建立的數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫完成邏輯推理，并將推理結(jié)果應(yīng)用于控制對(duì)象。設(shè)計(jì)中，將載重、煤倉煤位、載重變化率以及給煤量變化率作為模糊決策控制器輸入?yún)?shù)，根據(jù)模糊決策規(guī)則表進(jìn)行邏輯推理后，生成實(shí)時(shí)給定帶速，傳送給變頻調(diào)速裝置。

帶式輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為：

(1)

式中，p為電動(dòng)機(jī)繞組磁極對(duì)數(shù);s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率;f1為頻率。

在式(1)中，p與s為常數(shù)，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率成正比例關(guān)系[5]。

PLC控制器以傳感器獲取的帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)為依據(jù)，根據(jù)模糊決策規(guī)則，控制變頻器的運(yùn)行頻率，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 調(diào)速方案設(shè)計(jì)

2.2.1 調(diào)速方案1

以帶式輸送機(jī)的載重為輸入?yún)?shù)，帶速為輸出參數(shù)，并將其參數(shù)各劃分為6個(gè)區(qū)間，控制流程如圖2所示，即根據(jù)載重值，控制給定速度，其中M為帶式輸送機(jī)的最大載重值，v為帶速最大值。

圖2 調(diào)速方案1控制流程

2.2.2 調(diào)速方案2

該調(diào)速方案針對(duì)無煤倉配置的帶式輸送機(jī)為對(duì)象，以載重和載重變化率為輸入?yún)?shù)，帶速為輸出參數(shù),設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)。該調(diào)速方案2的模糊控制規(guī)則見表1。針對(duì)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的輸入值，對(duì)其進(jìn)行模糊化后，得到模糊控制系統(tǒng)的送入值，根據(jù)知識(shí)庫的規(guī)則信息，模糊推理出模糊化的輸出值，最后根據(jù)比例轉(zhuǎn)換因子清晰化為實(shí)際值，即表2 帶速查詢表所示。

表1 模糊控制ev值

表2 帶速ev查詢表

調(diào)速方案2中，確定模糊控制規(guī)則和帶速查詢表為核心，將載重、載重變化率模糊化后，查詢表2可得速度值X(X∈{0,1,2,3,4,5,6})，將該速度值除以量化因子Kv，即可得帶式輸送機(jī)帶速[6]。

2.2.3 調(diào)速方案3

該調(diào)速方案針對(duì)有煤倉配置的帶式輸送機(jī)為對(duì)象，以載重和煤倉煤量為輸入?yún)?shù)，帶速為輸出參數(shù)設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)。該調(diào)速方案的模糊控制規(guī)則以及帶速查詢見表1以及表2所示。將載重以及煤倉煤量模糊化后，可得帶式輸送機(jī)帶速實(shí)時(shí)值，該方案的控制流程見圖3所示。

圖3 調(diào)速方案3控制流程

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

所設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件編寫在PLC控制器中完成，采用ST語言實(shí)現(xiàn)，具體軟件流程見圖4所示。

圖4 PLC節(jié)能調(diào)速控制流程

根據(jù)調(diào)速方案2、3的模糊控制規(guī)則以及帶速查詢表，將其內(nèi)容寫入PLC控制器的M存儲(chǔ)區(qū)，將調(diào)速方案的載重、載重變化率、煤倉煤位以及比例因子等參數(shù)寫入PLC控制器的V存儲(chǔ)區(qū)。PLC控制器每10 ms輪詢一次，當(dāng)采樣時(shí)間到達(dá)時(shí)，判斷載重m、煤倉煤位q是否越界。采集到輸入?yún)?shù)沒有越界時(shí)，將其寫入PLC控制器的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，并選擇帶式輸送機(jī)的運(yùn)行方式，可選擇調(diào)速方案1/2/3以及恒速運(yùn)行。當(dāng)煤倉煤量保持為0時(shí)，選擇調(diào)速方案2，否則，選擇調(diào)速方案3。

3 節(jié)能效果分析

以西山煤電集團(tuán)某礦的主運(yùn)帶式輸送機(jī)為例分析所設(shè)計(jì)的3種節(jié)能調(diào)速方案應(yīng)用效果。該帶式輸送機(jī)的主要參數(shù)為：傾角β為10°，帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度L為1 830 m，帶寬2 100 mm，最大帶速6 m/s，每年工作300 d，每天工作20 h，[0,M/6]區(qū)間內(nèi)工作t1為2 h，[M/6,2M/6]區(qū)間內(nèi)工作t2為3 h，[2M/6,3M/6]區(qū)間內(nèi)工作t3為4 h，[3M/6,4M/6]區(qū)間內(nèi)工作t4為4 h，[4M/6,5M/6]區(qū)間內(nèi)工作t5為3 h，[5M/6,6M/6]區(qū)間內(nèi)工作t6為4 h。電動(dòng)機(jī)功率K1為1.4，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式系數(shù)K2為1，阻力系數(shù)K為0.08，W為1.3，m1為25.6 kg/m，m2為9.6 kg/m，q0為126 kg/m。

μ1=K1K2WL(m1+m2+2q0cosβ)

(2)

μ2=K1K2KWLcosβ

(3)

調(diào)速方案1節(jié)能分析：

(4)

可得W≈2 082 kW·h，以每度電0.5元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)31.2萬元。

調(diào)速方案2節(jié)能分析：

(5)

可得W≈2 865 kW·h，以每度電0.5元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)43萬元。

調(diào)速方案3節(jié)能分析:

調(diào)速方案3的節(jié)能效果與調(diào)速方案2的節(jié)能效果相同，區(qū)別為q0增大時(shí)，節(jié)能效果減弱，減小時(shí)，節(jié)能效果增強(qiáng)。

上述分析可知，調(diào)速方案2以及3的節(jié)能效果優(yōu)于調(diào)速方案1。

4 結(jié)語

針對(duì)帶式輸送機(jī)的不同運(yùn)行工況提出的3種節(jié)能調(diào)速方案，在區(qū)間控制、模糊決策方面都依賴于理論研究，在后續(xù)的工作中，應(yīng)采集大量帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為模糊決策控制依據(jù)。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)節(jié)能調(diào)速方案能夠保證帶式輸送機(jī)運(yùn)行安全、穩(wěn)定的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。