樊恒偉

（晉能控股集團四老溝礦主井皮帶隊， 山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機是煤炭企業(yè)生產(chǎn)中的主要運輸工具，具有運輸載重大、距離長、運輸穩(wěn)定高等特點。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，帶式輸送機的功率損耗與電能成本逐漸受到企業(yè)的重視。帶式輸送機的額定速度運行模式，使得帶式輸送機空載以及半載現(xiàn)象嚴重，造成了企業(yè)大量的能源浪費與功率損耗。針對這一現(xiàn)象，本文提出了應用變間隔調(diào)速的方法進行帶式輸送機節(jié)能控制優(yōu)化，以期提高電能利用率，降低企業(yè)成本。

1 帶式輸送機集控系統(tǒng)分析

帶式輸送機集控系統(tǒng)主要由給煤機、帶式輸送機、檢測設備以及控制設備組成。現(xiàn)階段，帶式輸送機集控系統(tǒng)大多將帶式輸送機的帶速設定為帶式輸送機滿載狀態(tài)且不發(fā)生堆煤現(xiàn)象時的恒定帶速，但在實際的生產(chǎn)過程中，由于輸送機運輸?shù)拿禾颗c采煤機、掘進機、開采條件以及煤炭分布情況等眾多因素有關(guān)，礦井的產(chǎn)煤量往往是不固定的，且大部分情況是低于滿載情況的，這就使得帶式輸送機會長時間的處于半負載甚至于空載狀態(tài)下，從而降低了帶式輸送機的能力使用效率，浪費電能，提升了企業(yè)成本。因此，應對帶式輸送機的運行速度進行控制調(diào)節(jié)，以提升設備使用效率。

2 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)主要由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)兩部分組成，可實現(xiàn)輸送機控制系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)、帶速實時檢測以及驅(qū)動功率檢測。其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中，硬件系統(tǒng)主要有四部分組成，包括執(zhí)行裝置、被控對象、控制器以及檢測裝置；軟件系統(tǒng)主要由用戶界面與控制算法實現(xiàn)兩部組成[1-2]。

圖1 帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 變間隔調(diào)速技術(shù)控制策略

現(xiàn)階段，間隔調(diào)速主要有被動間隔調(diào)速以及固定間隔調(diào)速兩種方式。其中，固定間隔調(diào)速是對喂料量與參考速度進行固定間隔的規(guī)劃，該方法主要是在喂料量可控的前提下進行的，但是實際生產(chǎn)之中，喂料量與煤礦開采狀況有關(guān)，無法控制；被動間隔調(diào)速是運用模糊邊界的方法進行參考速度確定的，間隔調(diào)速被動決定。但在實際使用過程中，模糊邊界確定的調(diào)速間隔可能很短，甚至低于安全加速時間，使輸送機的驅(qū)動裝置與機械機構(gòu)負荷較大，造成設備使用危險。變間隔調(diào)速技術(shù)其實質(zhì)就是將調(diào)速的間隔當作關(guān)鍵變量進行速度決策，以喂料量變化趨勢為基礎，使得喂料量與帶速之間實現(xiàn)更好的匹配，同時還能進行最小調(diào)速間隔設置，滿足設備安全使用條件。變間隔調(diào)速技術(shù)的參考速度決策流程如下頁圖2 所示。按上述步驟即可得到變間隔調(diào)速技術(shù)參考速度值。

圖2 變間隔調(diào)速技術(shù)參考速度決策流程示意圖

2.3 硬件系統(tǒng)設計

2.3.1 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置主要由負載模擬裝置和電機驅(qū)動裝置組成。其中，電機驅(qū)動裝置主要由三部分組成[3-4]，包括電動機、變頻器以及齒輪減速器，主要作用是驅(qū)動帶式輸送機運行與改變帶式輸送機帶速，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖3 所示。

圖3 電機驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖

變頻器的主要作用為將頻率固定的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。經(jīng)綜合分析，E6-2R2G-S2 型變頻器較為適合該系統(tǒng)。E6-2R2G-S2 型變頻器額定電壓為220 V，工作模式為依據(jù)輸入電壓線性輸出0~50 Hz 頻率的交流電[5-6]。則變頻器輸入與輸出的關(guān)系公式為：

式中：f 為輸出頻率，Hz；U 為輸入電壓，V。

電動機選用三相異步電動機，額定功率應為2.2 kW，額定電壓應為220 V，磁極對數(shù)應為2，額定轉(zhuǎn)速應為1 420 r/min。電動機轉(zhuǎn)速計算公式為：

式中：n 為電動機轉(zhuǎn)速，r/min；s 為轉(zhuǎn)差率，取0.05；p為電動機功率，kW。

齒輪減速器的作用為增大扭矩與減小轉(zhuǎn)速，減速比為20，安裝位置在電機與驅(qū)動滾筒之間，則驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)速計算公式為：

式中：R 為滾筒半徑，mm；v 為驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；U為輸入電壓，V。

負載模擬裝置的主要作用為輸送機負載量的模擬，對輸送帶持續(xù)施加壓力。

2.3.2 檢測裝置

檢測裝置具體包括電流互感器、速度傳感器以及功率計等，是帶速與功率實時檢測的裝置，可實現(xiàn)帶速的能耗計算與閉環(huán)控制。其中，速度傳感器的安裝位置在回程段的輸送帶表面，通過與輸送帶直接接觸后，輸送帶運轉(zhuǎn)驅(qū)動傳感器運動，使內(nèi)部編碼器產(chǎn)生相應頻率信息，測算出輸送帶速度。本文速度傳感器選用礦用本安型速度傳感器；電流互感器的主要作用為測量電機輸入電流。運用電磁感應原理，使一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)變?yōu)槎蝹?cè)小電流。電流互感器的安裝位置在電機電源線輸入處；功率計主要是通過將電機輸入電壓與二次側(cè)小電流進行計算后得出的，與控制器的通訊主要通過RS232[7-8]。

2.3.3 控制器

控制器選用DS1103 型開發(fā)板作為控制核心。DS1103 型開發(fā)板計算速度快，軟件系統(tǒng)較為先進，可進行代碼下載與生成以及系統(tǒng)調(diào)試與實驗。DS1103型開發(fā)板具有豐富的模擬量與數(shù)字量輸出輸入接口以及通信端口，對各類控制信號與檢測信號都可實現(xiàn)輸出與接收。節(jié)能控制系統(tǒng)的設計DS1103 型開發(fā)板可使執(zhí)行裝置與檢測設備有效連接，調(diào)速算法有效利用，實現(xiàn)速度節(jié)能控制。

2.4 軟件系統(tǒng)設計

帶式輸送機的節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設計主要實現(xiàn)用戶界面設計、控制算法程序編寫、測試控制系統(tǒng)運行以及程序代碼傳輸四個方面功能。需運用到的軟件分別為RTI、ControlDesk 以及Matlab-Simulink。其中，RTI 與Matlab-Simulink 的功能代碼的傳輸以及程序的編寫，ControlDesk 的功能為用戶界面設計以及系統(tǒng)測試。節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)具體流程示意圖如圖4 所示。首先，運用Matlab-Simulink 軟件進行模型建立并編輯相應的控制方案，然后運用RTI 軟件進行輸入輸出接口設置，同時將Matlab-Simulink 建立的模型轉(zhuǎn)換為C 代碼并傳輸至開發(fā)板。最后，運用ControlDesk 軟件進行用戶界面設計，完成節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件配置[9-11]。

圖4 帶式輸送機的節(jié)能控制系統(tǒng)軟件流程示意圖

3 實驗測試分析

將帶式輸送機啟動模式調(diào)整為人工模式，通過更改帶速設定進行系統(tǒng)實驗測試可知，帶式輸送機啟動、停機、帶速調(diào)整以及功率、帶速顯示正常；分別運行變間隔調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的帶式輸送機與不調(diào)速控制系統(tǒng)的帶式輸送機并進行能耗統(tǒng)計，將二者實驗數(shù)據(jù)對比后發(fā)現(xiàn)，變間隔調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能率大約為25%，符合節(jié)能控制系統(tǒng)設計要求。

4 結(jié)論

1）運用變間隔調(diào)速的方法進行帶式輸送機控制系統(tǒng)設計可實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能要求，節(jié)能設備電能損耗。

2）按上述方案進行帶式輸送機控制系統(tǒng)設計并進行實驗測試后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機控制系統(tǒng)運行正常，可實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。經(jīng)能耗統(tǒng)計對比分析，變間隔調(diào)速控制系統(tǒng)較不調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能大約25%，符合節(jié)能設計要求。