带式输送机节能降耗控制方法研究

郝喜军

(大同煤矿集团公司 雁崖矿，山西　大同　037031)



带式输送机节能降耗控制方法研究

郝喜军

(大同煤矿集团公司 雁崖矿，山西大同037031)

摘要带式输送机在煤炭行业有着广泛的应用，但是我国矿用输送机多以恒速运行为主，导致工作效率较低，浪费了大量的电能。分析了带速与装载量之间的关系，提出了利用模糊控制理论和PLC控制技术进行节能的方案。通过采集装载量，达到实现控制输出带速的目的，并建立了节能方案结构框图和软件流程图。最后，根据假定的参数进行计算，结果证明采用节能方案后节能率为13.9%，具有一定的节能效果。

关键词带式输送机；节能；带速；运量；模糊控制理论；PLC

带式输送机的功能主要是输送碎散物料或者成件物品，其主要特点是输送距离远、装载量大。在煤炭、电力、港口等领域有着非常广泛的应用，特别是在煤炭行业，已经成为运输的主要工具。20世纪90年代以来，我国矿用带式输送机经历了从引进到吸收到自主研发的过程，目前在运送距离、装载量等方面已经有了极大的提高。

但是，我国矿用输送机普遍存在“大马拉小车”的情况。这是由于输送机的运行速度多以恒速为主，无法与运量匹配，导致输送机实际工作效率只有40%～60%，浪费了大量的电能，提高了生产成本，与“绿色矿山，节能降耗”的原则相违背。因此，解决带式输送机的能耗问题是一项非常重要的工作。本文从带速调整方面入手，探讨带式输送机的节能方法。

1带式输送机简介

1.1带式输送机工作原理

带式输送机(见图1)主要由输送带、驱动电动机及滚筒、减速器、托辊、张紧装置、制动装置等部分组成。其中，输送带以闭合形式分别绕过驱动滚筒和换向滚筒，上输送带和下输送带以托辊为支撑，拉紧力则由拉紧装置提供。工作时，驱动电动机转动将扭矩传递给输送带，牵引输送带运动，完成物料的运输。

图1　带式输送机实物图

1.2带式输送机能耗问题

在实际生产过程中，由于输送机装载量的增大，其能耗也随之增大，成为影响企业成本的一个主要因素。带式输送机的运转靠电动机的驱动作用，在运转中各个机械部件都会产生阻力。通过分析，阻力主要有基本阻力、倾斜阻力、附加阻力和特殊阻力4种。其中，基本阻力是指输送带、物料以及托辊之间摩擦产生的阻力；倾斜阻力是指由于机身倾斜，物料产生的重力分量带来的阻力；附加阻力是指物料落在皮带上时，由于速度与皮带本身运行速度不同而产生了相对摩擦，或者是皮带被压弯后恢复时产生的阻力；特殊阻力是指对输送机进行改造后产生的阻力。有专家对输送机阻力的计算进行了相关研究，最后证明在长距离运输中，阻力的计算主要由基本阻力和倾斜阻力组成，而影响功率的参数则主要是输送机的运量以及输送机运行带速。

目前，带式输送机的运行主要以恒速运行为主，运行速度不能随装载量进行调节，当设备空载或者轻载运行的时候，电动机效率很低，浪费大量电能。空载和轻载运行的原因主要是由于生产不平衡所致。不同地区，受地质赋存情况影响，产煤能力不同；同一地区，出煤量也不是永远保持一个定值，而是有一定的波动。所以，如果能够根据不同的装载量自动调节输送机带速，就能在运行过程中提高其做功效率，减少电耗的损耗。

2带式输送机节能技术研究

2.1输送机运量和带速的关系研究

通过分析输送机能耗问题可知，影响功率的主要参数是运量以及运行带速。运量与带速的关系见图2，从图2中可以看出，在相同带速下，运量越大则功率越大；在相同运量下，带速越高则功率越大。输送机在进行设计的时候，通常是按照最大的运量计算其安全速度，但是实际生产中，输送机运量不是一直保持在最大值上，这就造成了功率的增加和电能的损耗。如果能够根据运量的大小，及时调整带速的快慢，这样既提高了输送机的效率，也达到了节能的目的。

图2　 输送机容量、带速及功率之间的关系示意图

2.2运用模糊控制理论调节带速与运量

模糊控制理论的本质是运用数学和计算机语言来表示逻辑关系的一种控制系统，但是其数学模型和变成语言是模糊的逻辑关系而不是具体的规则。

通过分析可知，要降低输送机能耗，根据运量大小调节带速是关键。因此，利用模糊理论，可以建立运量、带速和带速变化率与输出功率之间的模糊关系，将这个三输入一输出的结构作为模糊控制器，其基本逻辑规则就是运量与带速之间的关系式。

模糊控制算法的实现是通过计算机程序完成的，在实际中一般是利用PLC进行程序的编写和控制。通过在PLC中存放模糊控制器的逻辑表，利用外部的传感器采集数据的变化，再调用PLC中的逻辑表就可以实现自动化的调节。

2.3节能控制方案

根据前面的分析，利用模糊系统和PLC设计节能调节装置。通过测量输送机装载量、煤仓煤量以及目前输送机的运行速度，对输出速度进行调节。系统可以提前设定煤仓容量的合理范围，在合理范围内时，根据运量进行速度的调整；超出合理容量时，要减少产煤量；不足合理容量范围时，要对输送机进行停机。

整个系统可由检测部分、控制部分和驱动部分组成。其中，检测部分主要是检测输送机上煤流的厚度、输送机实时速度；控制部分则是利用PLC将输入转化为模拟量，之后输出随装载量变化而变化的速度；检测部分主要是变频器和通风机，变频器用来调节速度，通风机用来散热。整个系统的结构框图见图3.

图3　节能系统结构框图

2.4系统软件流程设计

软件流程按照控制方案进行简单设计，首先检测煤仓容量，如果煤仓超限或者不足则需要减少产量或者停机处理。如果煤仓容量合理，则进行装载量和带速的数据采集，通过判断采集数据是否合理来进行输出带速的计算。系统软件流程图见图4.

3节能效果理论分析

采用节能措施以后，节能效果应该是指原系统电动机功率与新系统电动机功率之差，即输送机恒速运行下的电动机功率与输送机带速调节后的电动机功率之差。根据相关文献可知，电动机轴所需功率为：

图4　节能系统软件程序流程图

(1)

式中：

λ1=K1K2CωLg(q＇+q＂+2q0cosβ)·v

λ2=K1K2(CωLgcosβ+gH)

式中：

PM—电动机功率；

K1—电动机功率系数；

K2—启动方式系数；

C、ω—阻力系数；

β—输送机倾角，(°)；

v—带速，m/s；

q—运量,t/h；

q＇—上托辊传动部分重量,kg/s；

q＂—下托辊传动部分重量,kg/s；

L—皮带斜长,m；

H—高差,m；

q0—输送带重量,kg/m.

分析输送机节能情况可根据式(1)进行计算，由于采取节能措施后，输送带带速是按照与装载量成正比计算的。因此，计算按照空载、20%递增负载和满载进行，计算结果见表1.

表1　采取节能措施前后功率计算表

假设输送机每天运行时间为22h，其中空载运行3h，60%负载运行7h，80%负载运行5h，满载运行7h. 假设相关系数数值为：K1=1.3；K2=1；C=1.2；ω=0.02；β=10°；v=3m/s；q=1 000t/h；q＇=20kg/s；q＂=5kg/s；L=700m；H=2.5m；q0=60 kg/m.

由表1可以得出输送机全天节能率为13.9%.

4总结

1) 本文从阻力方面分析了影响带式输送机输出功率的主要因素，同时分析了带速与装载量之间的关系。

2) 分析并提出了输送机节能方案，利用模糊控制理论和PLC控制技术，通过对装载量的数据采集，实现控制输出带速的目的。建立了节能方案结构框图和软件流程图。

3) 通过计算，对比了采用节能方案前后电动机的输出功率，根据假定的参数，节能率为13.9%，证明方案确实有一定的节能效果。

参考文献

[1]程军，李愈清，陆文涛.基于变频调速的煤矿带式输送机节能控制方法[J].电气传动,2013,43(11)：61-64.

[2]陈一兵.煤矿带式输送机节能技术的应用[J].煤矿机电,2014(04)：112-114.

[3]肖卫雄.煤矿带式输送机节能降耗控制系统的改造[J].煤矿机电, 2014(01)：104-116.

[4]何磊.煤矿带式输送机的电气节能技术研究[D].西安科技大学：2010.

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Study on Control Method of Energy Saving and

Reducing Consumption of Belt Conveyor

HAO Xijun

AbstractBelt conveyors have a wide range of applications in the coal industry, but most of them are running at constant speed, result in low efficiency and waste a lot of energy. Analyzes the relationship between the speed and load, the energy saving program based on fuzzy control theory and PLC control technology is proposed.Through the acquisition of loading, achieve the purpose of controlling the output belt speed, and establish a structure diagram and software flow of energy-saving solutions. Finally, it is proved that after used energy-saving scheme energy saving rate is 13.9% based on the assumed parameters carry out calculating. So it has a certain energy saving effect.

Key wordsBelt conveyor; Energy saving; Belt speed; Transport volume; Fuzzy control theory; Programmable logic controller

作者简介：解志明(1973—)，男，山西临汾人，2009年毕业于东北大学，工程师，主要从事煤矿技术管理工作 郝喜军(1977—)，男，山西大同人，2008年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿机电管理工作 聂伟涛(1966—)，男，河北唐县人，1990年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事矿井地质工作

收稿日期：2015-02-23 2014-03-10 2014-03-10

中图分类号：TD63+4.1

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)04-0019-03