基于顺煤流节能的优化控制研究

高立斌

(晋城煤业集团寺河煤矿二号井， 山西 晋城 048019)

1 前言

上料前一次性启动所有输送设备的运输方式无形中带来了一定的资源空置，若按照输送煤料的方向顺序启动设备不仅能够有效地缩短空载时间，降低无功能耗，也能够有效地减低设备损耗[1-2]。

2 顺煤流节能控制原理

带式输送机的速度控制是通过预测相应的胶带容量匹配速度，然后通过交流电机变频调节带速，合理设置最小加速度时间以提高整个带式输送机系统的能效。而通常的煤料输送系统运行中，经常出现由于输送机运行参量设置不合理导致的能效低下的现象。

因此，通过胶带速度与输送带容量的优化匹配，最大限度地提高输送带材料的横截面积，这就是对输送带速度的控制。

当运量确定时，只考虑主要因素，系统所需功率和输送速度是线型关系。如果带式输送机的速度较小时，可以降低带式输送机的功耗，从而满足节能降耗的要求。最大速度的传送带可以调节材料的横截面积,如果继续减少带速,从而达到最大横截面积的带式输送机皮带材料速度最低的速度，以获得最佳的输送速度。进一步地换算到驱动电机的工况，就能够准确地确定煤流输送中的最优控制点。

3 节能总体设计

由于煤炭生产的特殊情况，带式输送机长时间不能满载。有时空载时，输送机带速恒定负载远低于标准值。带式输送机一直在非最佳点运行，不仅浪费资源而且可能影响电机的性能和寿命[3]。另外，传统的多级带式输送机是根据煤的反向流动模式依次启动的，这大大增加了空载运行时间[4]。鉴于此，基于多级带式输送机速度控制的节能技术有助于改善这一状况，具体节能控制的结构如图1所示。

图1 节能控制的结构框图

首先在输煤系统实际启动前，通过激光扫描获得实时输送值，并将流量值的信号发送给控制器，实现带速度流量的实时匹配，以建立控制器控制程序中皮带速度与流量的梯形匹配模型。最终，带式输送机运行速度在变化中和输送流量相匹配，以保证带速最低，实现最好的节能效果[5]。具体通过由编码器实时检测带式输送机速度，并将速度信号送给控制器。

同时，将带速控制在每个稳定阶段设定的皮带速度，以避免发生溢流。带式输送机的速度控制产生一个闭环，提高控制精度[6]。在调整速度的过程会涉及所有的启动、稳定、停止等阶段，以检测速度的变化，并确保它大于皮带的速度，以防各种各样的问题。当带式输送机上皮带变软时，为软启动阶段，该阶段不管是否会达到带式输送机的稳定运行的速度大小。

对于不同的运输方式，带式输送机的运行速度与运量相匹配，满足煤料输送的要求。当多级带式输送机采用分流煤流的起动方式时，在带式输送机的启动阶段消除了带式输送机的空载运行，从而节省了大量的电能。以多级流速控制的带式输送机启动方式能够节能，降低煤炭输送能耗并提高带式输送机工作效率。

4 顺煤流节能技术的实现

如图2所示为常见的煤料输送系统的运行图。根据从左到右的运输方向，各层带式输送机依次定义为1号、2号、3号、4号。从左手边带式输送机起，在带的末端设置检测区域并安装的激光扫描仪，通过控制箱，计入带式输送机的流量Qx。

图2 简化煤流输送系统

根据实际输煤情况，1号带式输送机以标称速度运行，输送距离为L0。2～4号输送机可由相同的频率控制，当输送距离相同时其运行的参量与1号设备的参量有所差异。因此，对节能控制技术的研究仅针对2～4号带式输送机，而1号带式输送机用于获得输送带的实时值。

5 节能优化实验平台

5.1 系统硬件设计

节能优化控制实验的结构如图3所示，其主要以PLC为控制单元，信号通过人机界面输入、控制器处理、变频器、电机转换最后控制电机改变运行状态。控制实验台如图4所示。

图3 节能优化控制实验的结构

本文所涉及的系统调速范围约定在1.5m/s以下，由变频器控制实现从0m/s到1.5m/s间隔为0.5m/s的多级调速。涉及变频器设置包括主频源、最大输出功率设置、多功能输入端设置和多指令选择等。然后，正确地连接转换器端口和相应的控制器输出接口。最后控制器编程完成数据计算，并由触摸屏显示图形。

图4 顺煤流节能控制实验台

在设置变频器参数过程中，本文以输送机的“S”形速度曲线进行设置，具体参数见表1。

表1 变频器参数设置表

5.2 系统软件设计

在编程中，要充分满足实际要求，首先要从实际工作条件出发，统计需要控制器来控制输入和输出点及其各自的类别(数字或模拟)，并给出相应的地址，编写符号表。之后根据现场管理标准和控制要求，查阅国内外相关文献，确定具体有效的实施方案。其次根据制定好的实施计划，完成控制流程图的编制。

此外,采用M测速方法(单位时间输出脉冲编码器的数量统计数据经过一系列的计算过程,得到被测物体的速度)测试带式输送机的速度。具体方法:通过对脉冲信号进行的计数完成中断、定时的功能实现，并据此得到单位时间的数量。

在本实验中采用编码器对脉冲信号进行测量，高速计数器对带式输送机的脉冲信号进行计数。当定时器中断时间再次到达时，使用其设置完成相应的中断事件调度操作。

之后按照创建—编写—模拟—下载的程序完成触摸屏展开人机交互界面与控制器的连接与测试工作。

6 节能优化实验及结果分析

在本实验中，以[1,1.5](m/s)为调速域，采用控制器和变频器实现对带式输送机瞬时加速时间的控制。在瞬时速度过程中，当带式输送机的速度v=1.0m/s时，磁带速度、电机三相电流和温度测量的屏幕图像大小如图5所示。

图5 速度v=1.0m/s带速&电流&温升数据

在瞬时加速过程中，当带式输送机v的速度为1.5m/s时，通过比较图5中电机的三相电流和温度变化。在加速过程中，电机三相电流在额定电流5A附近变化，电机温升正常。因此，在带式输送机瞬时加速过程中设定的最小加速度时间符合实验要求。

当带式输送机在高速运行时，功耗也会相应地降低。此外，在带式输送机的运行过程中，当带式输送机调整到最小值时，会产生机械磨损，包括输送带与上下托辊、辊子、托辊和辊子本身的运行磨损等。但加速速度，操作设备之间的磨损时间会相应减少。因此，设定最小的加速度时间有利于实现带式输送机系统节能降耗的目的。

7 结论

结合生产过程输送环节出现的实际问题，首先介绍了顺煤流输送煤炭的原理和优点，并以简单的多级输送模型为基础明确了采用顺煤流输送所需要设定工艺参量。从信息流的角度明确了信号通过人机界面输入、控制器处理、变频器、电机转换最后控制电机改变运行状态，并按照创建—编写—模拟—下载完成的触摸屏展开人机交互界面与控制器的连接与测试工作。此外，本文所涉及的系统调速范围约定在1.5m/s以下，由变频器控制实现从0m/s到1.5m/s间隔为0.5m/s的多级调速。结合实验数据表明，设备的最小加速度时间合理。