翟栓斌

（國能蒙西煤化工股份有限公司機電自動化科，內(nèi)蒙古 烏海）

帶式輸送機是一種可實現(xiàn)連續(xù)性、長距離輸送的高運量輸送設備，具有集中控制與自動控制特性，是煤炭生產(chǎn)不可或缺的重要運輸工具。當前階段，我國電動機裝機容量逐步提升，在全國總用電量中，年耗電量占比高達60%，然而電力機驅動系統(tǒng)的能量利用率卻相對較低，傳統(tǒng)恒速運行方式會導致電能資源浪費、增大生產(chǎn)成本，基于此，煤礦帶式輸送機運行時需要采用電氣節(jié)能技術實施改造，以便降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能目標。

1 煤礦帶式輸送機節(jié)能模糊控制設計

1.1 模糊控制原理

模糊控制是在人機控制理論的基礎上抽象得到的現(xiàn)代控制理論，可實現(xiàn)專家知識控制策略向自動控制策略的轉化，其輸入變量是被控對象的輸出量偏差以及偏差變化率，而輸出變量則是被控量，能夠反映出所有輸入與輸出語言變量及控制規(guī)則間的模糊定量關系，同時也能揭示算法結構[1]。應用時需要利用語言控制規(guī)則對收集的控制信息進行模糊推理與決策處理，得到控制量模糊集后，再通過模糊判決得到具體的輸出控制量，從而實現(xiàn)控制目的。相較于普通計算機數(shù)字控制系統(tǒng)而言，模糊控制系統(tǒng)安裝了模糊控制器，其結構、規(guī)則、算法及決策方法決定著系統(tǒng)的運行質(zhì)量。模糊控制器的結構詳見圖1。

圖1 模糊控制器結構

1.2 電氣節(jié)能模糊控制器設計

此控制器共設定三個輸入量，即輸送帶運行速度偏差、速度偏差變化率、運量偏差，輸出量設為電機頻率。模糊處理后可分別得到三個輸入量與一個輸出量的量化論域，其中運量偏差模糊集是{負大，零，正大}，另外幾個變量的模糊集是{負大，負小，零，正小，正大}。結合變量基本論域及模糊集論域，可確定比例因子，之后構建模糊變量賦值，建立帶式輸送機的模糊控制規(guī)則，最后，應用加權平均得到模糊控制表，并存儲到可編制控制器中，用于查詢相應數(shù)據(jù)調(diào)取輸出控制量。模糊控制可編程控制程序見圖2。

2 煤礦帶式輸送機電氣節(jié)能控制系統(tǒng)設計

2.1 帶式輸送機電氣節(jié)能控制方案

為降低煤礦帶式輸送機的能耗，本研究設計了一個電氣節(jié)能控制方案（見圖3）。電氣節(jié)能的核心是節(jié)能調(diào)節(jié)裝置，利用料位計測出煤倉煤量后，料位計及皮帶秤會將測量信號傳送給節(jié)能左調(diào)節(jié)裝置，而后測出輸送機運量，若運量比輸送機設計運量低，則會調(diào)控給煤機行程開關，以增大給煤量，進而提高輸送機的輸送效率，之后再利用調(diào)速裝置對驅動電機進行控制。

圖3 電氣節(jié)能框圖

2.2 控制系統(tǒng)結構設計

煤礦作業(yè)環(huán)境相對復雜，信號干擾因素較多，因此需要遵循可靠性原則設計系統(tǒng)結構?？刂葡到y(tǒng)核心控制器可采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 系統(tǒng)可編程控制器，控制器與現(xiàn)場設備間的數(shù)據(jù)傳送以PROFIBUS 總線結構為支撐，此結構的DP 模塊可對系統(tǒng)及現(xiàn)場分散式I/O 通信進行控制，并以工控機及觸摸顯示器作為上位機，以便24 h 不間斷監(jiān)測控制器運行情況，隨時查看帶式輸送機運行參數(shù)，從而及時發(fā)現(xiàn)帶式輸送機故障問題。電氣節(jié)能控制系統(tǒng)應采用雙滾筒驅動方式（見圖4）。

圖4 雙驅動帶式輸送機驅動系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

2.2.1.1 可編程控制系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)應用的是S7-300 型PLC，包含多種功能模塊，即電源模塊、CPU 模塊、數(shù)字量輸送模塊、通訊模塊、模擬量傳送模塊、接口模塊。系統(tǒng)的I/O 模塊與數(shù)據(jù)采集設備相連接，CPU 的DP 接口及PROFIBUS總線負責傳送變頻器數(shù)據(jù)，現(xiàn)場參數(shù)可利用CUP 通信及多點接口通訊協(xié)議實時獲取，通訊處理器模塊及工業(yè)以太網(wǎng)可為上位機及CPU 之間建立關聯(lián)提供支持，進而通過人機接口動態(tài)監(jiān)測所有被控量[2]。串口通信、數(shù)字量傳送模塊均應用了光電隔離技術，以屏蔽信號傳送干擾。還安裝了一體式超聲波料位計、礦用隔爆型核子秤、研祥系列工控機以及22 寸液晶顯示器。

2.2.1.2 帶式輸送機保護裝置

輸送機保護裝置由九部分結構組成，一是智能拉線開關，按照100 m 間隔布設于輸送機沿線。二是智能跑偏開關，安裝于皮帶兩側、輸送機頭尾兩端、轉變或給料等重要節(jié)點。三是速度傳感器，用于檢測相應時段內(nèi)磁頭掠過次數(shù)。四是溫度傳感器，主要安裝于被測設備上或測試環(huán)境中，利用熱敏元件傳送控制信號。五是堆煤傳感器，安裝于相鄰皮帶搭接機頭或溜煤眼區(qū)域，用于保護皮帶并防機頭堆積[3]。六是縱向撕裂傳感器，安裝在煤流方向距給料點15 m 處的上皮帶位置，用于檢測輸送機膠帶縱向撕裂故障。七是超溫灑水裝置。八是聲光報警裝置。九是煙霧傳感裝置，用于自動灑水降溫、故障報警或檢測煙霧。除聲光報警裝置供電電源為交流127 V 外，其他裝置的供電電源均為直流24 V。

2.2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件采用的是STEP7 編程軟件，并需設置MPI 通信卡，加裝PC/MPI 通信適配器，并需做好PC 與MPI 的連接，或是將之連接到PROFIBUS 網(wǎng)絡上，以便于及時傳送或獲取用戶程序及相關數(shù)據(jù)。變頻調(diào)速裝置設計了軟起動、可控制動、節(jié)能調(diào)速、功率平衡、緊急停車五個控制功能，在可編程控制器支持下完成帶速與電機轉速檢測、測定輸送機運量及電流信號、根據(jù)預設程序展開數(shù)字運算或邏輯運算，并通過頻率輸出完成控制工作[4]。

3 帶式輸送機節(jié)能計算分析

3.1 電氣節(jié)能理論數(shù)據(jù)分析計算

煤礦帶式輸送機節(jié)能計算時，首先要計算出輸送機參外動滾筒圓周力，計算公式為：

其中，C、w、β、L、q'、q''、q0均是煤礦帶式輸送機的已知參數(shù)，其中C、w、β 取值分別是1.07、0.025、17，L 為1 083，單位為m，q'、q''、q0數(shù)值依次是19.4、6.7、25.6，單位是kg/m。之后可分別計算出帶式輸送機驅動滾筒的圓周力[5]、電動機功率。在年產(chǎn)量恒定的情況下，可計算出煤礦帶式輸送機運量約為357 t/h，低于設計值，說明輸送機仍具備較高的效率提升空間。為此，可按照3%的增幅調(diào)整運量，最高調(diào)控值設定為21%，并分別計算出各調(diào)整系數(shù)下輸送帶速度、功率及轉速的關系，并可得到電動機的功率值（詳見表1）。額定運量條件下，每次增加3%運量，輸送機速度、功率、轉速同步增長，說明輸送機運行速度、輸送帶轉速以及輸送機運行功率均與運量之間呈正比關系。

表1 不同調(diào)整系數(shù)下輸送帶速度、功率及轉速關系

3.2 電氣節(jié)能效果及機械磨損度分析

在年度產(chǎn)量為1.5 Mt/a 條件下，計算出改造前煤礦帶式輸送機需要耗電352.80 萬kwh，而應用電氣節(jié)能控制系統(tǒng)后，可根據(jù)實際運量調(diào)控帶速，計算得出輸送機運量為356.5 t/h，此時輸送機運行速度為1.97 m/s，而電動機的運行功率為459.19 kw。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可計算出電氣節(jié)能改造后，煤礦帶式輸送機電量損耗數(shù)值是192.86 萬kwh，將改造前后耗電量相減發(fā)現(xiàn)，改造后年用電量節(jié)約了155.94 萬kwh，節(jié)能效率為44.2%。而機械損耗方面，假定皮帶運行12 h，運行速度為2.5 m/s，此時輸送機各結構件之間的磨損度為1，其他帶速條件下，機械磨損度數(shù)據(jù)詳見表2。通過分析表2 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，帶速越低，托輥對皮帶的磨損度越小，說明運量下降時，輸送機的機械磨損度也會同步降低。

表2 機械損耗數(shù)據(jù)

結束語

帶式輸送機電氣節(jié)能控制系統(tǒng)設計時，運用了模糊控制理論，增強了控制系統(tǒng)的應用性能，設計了變頻調(diào)速驅動系統(tǒng)，能夠結合運量對輸送機運行速度進行調(diào)節(jié)，通過節(jié)能計算得出電氣節(jié)能改造后電能損耗較改造前有大幅下降，驗證了此種電氣節(jié)能控制系統(tǒng)的實際效用，說明其值得在煤礦帶式輸送機運行過程中推廣與應用。