基于变间隔调速的带式输送机节能控制系统设计研究

樊恒伟

（晋能控股集团四老沟矿主井皮带队， 山西 大同 037000）

引言

带式输送机是煤炭企业生产中的主要运输工具，具有运输载重大、距离长、运输稳定高等特点。随着企业生产规模的不断扩大，带式输送机的功率损耗与电能成本逐渐受到企业的重视。带式输送机的额定速度运行模式，使得带式输送机空载以及半载现象严重，造成了企业大量的能源浪费与功率损耗。针对这一现象，本文提出了应用变间隔调速的方法进行带式输送机节能控制优化，以期提高电能利用率，降低企业成本。

1 带式输送机集控系统分析

带式输送机集控系统主要由给煤机、带式输送机、检测设备以及控制设备组成。现阶段，带式输送机集控系统大多将带式输送机的带速设定为带式输送机满载状态且不发生堆煤现象时的恒定带速，但在实际的生产过程中，由于输送机运输的煤炭与采煤机、掘进机、开采条件以及煤炭分布情况等众多因素有关，矿井的产煤量往往是不固定的，且大部分情况是低于满载情况的，这就使得带式输送机会长时间的处于半负载甚至于空载状态下，从而降低了带式输送机的能力使用效率，浪费电能，提升了企业成本。因此，应对带式输送机的运行速度进行控制调节，以提升设备使用效率。

2 带式输送机节能控制系统设计

2.1 总体设计

带式输送机节能控制系统主要由软件系统与硬件系统两部分组成，可实现输送机控制系统的速度调节、带速实时检测以及驱动功率检测。其具体结构示意图如图1 所示。其中，硬件系统主要有四部分组成，包括执行装置、被控对象、控制器以及检测装置；软件系统主要由用户界面与控制算法实现两部组成[1-2]。

图1 带式输送机节能控制系统结构示意图

2.2 变间隔调速技术控制策略

现阶段，间隔调速主要有被动间隔调速以及固定间隔调速两种方式。其中，固定间隔调速是对喂料量与参考速度进行固定间隔的规划，该方法主要是在喂料量可控的前提下进行的，但是实际生产之中，喂料量与煤矿开采状况有关，无法控制；被动间隔调速是运用模糊边界的方法进行参考速度确定的，间隔调速被动决定。但在实际使用过程中，模糊边界确定的调速间隔可能很短，甚至低于安全加速时间，使输送机的驱动装置与机械机构负荷较大，造成设备使用危险。变间隔调速技术其实质就是将调速的间隔当作关键变量进行速度决策，以喂料量变化趋势为基础，使得喂料量与带速之间实现更好的匹配，同时还能进行最小调速间隔设置，满足设备安全使用条件。变间隔调速技术的参考速度决策流程如下页图2 所示。按上述步骤即可得到变间隔调速技术参考速度值。

图2 变间隔调速技术参考速度决策流程示意图

2.3 硬件系统设计

2.3.1 执行装置

执行装置主要由负载模拟装置和电机驱动装置组成。其中，电机驱动装置主要由三部分组成[3-4]，包括电动机、变频器以及齿轮减速器，主要作用是驱动带式输送机运行与改变带式输送机带速，其具体结构示意图如下页图3 所示。

图3 电机驱动装置结构示意图

变频器的主要作用为将频率固定的交流电转变为可调频率的交流电，实现电机转速的调节。经综合分析，E6-2R2G-S2 型变频器较为适合该系统。E6-2R2G-S2 型变频器额定电压为220 V，工作模式为依据输入电压线性输出0~50 Hz 频率的交流电[5-6]。则变频器输入与输出的关系公式为：

式中：f 为输出频率，Hz；U 为输入电压，V。

电动机选用三相异步电动机，额定功率应为2.2 kW，额定电压应为220 V，磁极对数应为2，额定转速应为1 420 r/min。电动机转速计算公式为：

式中：n 为电动机转速，r/min；s 为转差率，取0.05；p为电动机功率，kW。

齿轮减速器的作用为增大扭矩与减小转速，减速比为20，安装位置在电机与驱动滚筒之间，则驱动滚筒转速计算公式为：

式中：R 为滚筒半径，mm；v 为驱动滚筒转速，r/min；U为输入电压，V。

负载模拟装置的主要作用为输送机负载量的模拟，对输送带持续施加压力。

2.3.2 检测装置

检测装置具体包括电流互感器、速度传感器以及功率计等，是带速与功率实时检测的装置，可实现带速的能耗计算与闭环控制。其中，速度传感器的安装位置在回程段的输送带表面，通过与输送带直接接触后，输送带运转驱动传感器运动，使内部编码器产生相应频率信息，测算出输送带速度。本文速度传感器选用矿用本安型速度传感器；电流互感器的主要作用为测量电机输入电流。运用电磁感应原理，使一次侧大电流转变为二次侧小电流。电流互感器的安装位置在电机电源线输入处；功率计主要是通过将电机输入电压与二次侧小电流进行计算后得出的，与控制器的通讯主要通过RS232[7-8]。

2.3.3 控制器

控制器选用DS1103 型开发板作为控制核心。DS1103 型开发板计算速度快，软件系统较为先进，可进行代码下载与生成以及系统调试与实验。DS1103型开发板具有丰富的模拟量与数字量输出输入接口以及通信端口，对各类控制信号与检测信号都可实现输出与接收。节能控制系统的设计DS1103 型开发板可使执行装置与检测设备有效连接，调速算法有效利用，实现速度节能控制。

2.4 软件系统设计

带式输送机的节能控制系统软件设计主要实现用户界面设计、控制算法程序编写、测试控制系统运行以及程序代码传输四个方面功能。需运用到的软件分别为RTI、ControlDesk 以及Matlab-Simulink。其中，RTI 与Matlab-Simulink 的功能代码的传输以及程序的编写，ControlDesk 的功能为用户界面设计以及系统测试。节能控制系统的软件开发具体流程示意图如图4 所示。首先，运用Matlab-Simulink 软件进行模型建立并编辑相应的控制方案，然后运用RTI 软件进行输入输出接口设置，同时将Matlab-Simulink 建立的模型转换为C 代码并传输至开发板。最后，运用ControlDesk 软件进行用户界面设计，完成节能控制系统的软件配置[9-11]。

图4 带式输送机的节能控制系统软件流程示意图

3 实验测试分析

将带式输送机启动模式调整为人工模式，通过更改带速设定进行系统实验测试可知，带式输送机启动、停机、带速调整以及功率、带速显示正常；分别运行变间隔调速节能控制系统的带式输送机与不调速控制系统的带式输送机并进行能耗统计，将二者实验数据对比后发现，变间隔调速控制系统节能率大约为25%，符合节能控制系统设计要求。

4 结论

1）运用变间隔调速的方法进行带式输送机控制系统设计可实现系统的节能要求，节能设备电能损耗。

2）按上述方案进行带式输送机控制系统设计并进行实验测试后发现，带式输送机控制系统运行正常，可实现速度调节。经能耗统计对比分析，变间隔调速控制系统较不调速控制系统节能大约25%，符合节能设计要求。