帶式輸送機節(jié)能降耗控制方法研究

郝喜軍

(大同煤礦集團公司 雁崖礦，山西　大同　037031)

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帶式輸送機節(jié)能降耗控制方法研究

郝喜軍

(大同煤礦集團公司 雁崖礦，山西大同037031)

摘要帶式輸送機在煤炭行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但是我國礦用輸送機多以恒速運行為主，導(dǎo)致工作效率較低，浪費了大量的電能。分析了帶速與裝載量之間的關(guān)系，提出了利用模糊控制理論和PLC控制技術(shù)進行節(jié)能的方案。通過采集裝載量，達到實現(xiàn)控制輸出帶速的目的，并建立了節(jié)能方案結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程圖。最后，根據(jù)假定的參數(shù)進行計算，結(jié)果證明采用節(jié)能方案后節(jié)能率為13.9%，具有一定的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞帶式輸送機；節(jié)能；帶速；運量；模糊控制理論；PLC

帶式輸送機的功能主要是輸送碎散物料或者成件物品，其主要特點是輸送距離遠、裝載量大。在煤炭、電力、港口等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，特別是在煤炭行業(yè)，已經(jīng)成為運輸?shù)闹饕ぞ摺?0世紀(jì)90年代以來，我國礦用帶式輸送機經(jīng)歷了從引進到吸收到自主研發(fā)的過程，目前在運送距離、裝載量等方面已經(jīng)有了極大的提高。

但是，我國礦用輸送機普遍存在“大馬拉小車”的情況。這是由于輸送機的運行速度多以恒速為主，無法與運量匹配，導(dǎo)致輸送機實際工作效率只有40%～60%，浪費了大量的電能，提高了生產(chǎn)成本，與“綠色礦山，節(jié)能降耗”的原則相違背。因此，解決帶式輸送機的能耗問題是一項非常重要的工作。本文從帶速調(diào)整方面入手，探討帶式輸送機的節(jié)能方法。

1帶式輸送機簡介

1.1帶式輸送機工作原理

帶式輸送機(見圖1)主要由輸送帶、驅(qū)動電動機及滾筒、減速器、托輥、張緊裝置、制動裝置等部分組成。其中，輸送帶以閉合形式分別繞過驅(qū)動滾筒和換向滾筒，上輸送帶和下輸送帶以托輥為支撐，拉緊力則由拉緊裝置提供。工作時，驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動將扭矩傳遞給輸送帶，牽引輸送帶運動，完成物料的運輸。

圖1　帶式輸送機實物圖

1.2帶式輸送機能耗問題

在實際生產(chǎn)過程中，由于輸送機裝載量的增大，其能耗也隨之增大，成為影響企業(yè)成本的一個主要因素。帶式輸送機的運轉(zhuǎn)靠電動機的驅(qū)動作用，在運轉(zhuǎn)中各個機械部件都會產(chǎn)生阻力。通過分析，阻力主要有基本阻力、傾斜阻力、附加阻力和特殊阻力4種。其中，基本阻力是指輸送帶、物料以及托輥之間摩擦產(chǎn)生的阻力；傾斜阻力是指由于機身傾斜，物料產(chǎn)生的重力分量帶來的阻力；附加阻力是指物料落在皮帶上時，由于速度與皮帶本身運行速度不同而產(chǎn)生了相對摩擦，或者是皮帶被壓彎后恢復(fù)時產(chǎn)生的阻力；特殊阻力是指對輸送機進行改造后產(chǎn)生的阻力。有專家對輸送機阻力的計算進行了相關(guān)研究，最后證明在長距離運輸中，阻力的計算主要由基本阻力和傾斜阻力組成，而影響功率的參數(shù)則主要是輸送機的運量以及輸送機運行帶速。

目前，帶式輸送機的運行主要以恒速運行為主，運行速度不能隨裝載量進行調(diào)節(jié)，當(dāng)設(shè)備空載或者輕載運行的時候，電動機效率很低，浪費大量電能?？蛰d和輕載運行的原因主要是由于生產(chǎn)不平衡所致。不同地區(qū)，受地質(zhì)賦存情況影響，產(chǎn)煤能力不同；同一地區(qū)，出煤量也不是永遠保持一個定值，而是有一定的波動。所以，如果能夠根據(jù)不同的裝載量自動調(diào)節(jié)輸送機帶速，就能在運行過程中提高其做功效率，減少電耗的損耗。

2帶式輸送機節(jié)能技術(shù)研究

2.1輸送機運量和帶速的關(guān)系研究

通過分析輸送機能耗問題可知，影響功率的主要參數(shù)是運量以及運行帶速。運量與帶速的關(guān)系見圖2，從圖2中可以看出，在相同帶速下，運量越大則功率越大；在相同運量下，帶速越高則功率越大。輸送機在進行設(shè)計的時候，通常是按照最大的運量計算其安全速度，但是實際生產(chǎn)中，輸送機運量不是一直保持在最大值上，這就造成了功率的增加和電能的損耗。如果能夠根據(jù)運量的大小，及時調(diào)整帶速的快慢，這樣既提高了輸送機的效率，也達到了節(jié)能的目的。

圖2　 輸送機容量、帶速及功率之間的關(guān)系示意圖

2.2運用模糊控制理論調(diào)節(jié)帶速與運量

模糊控制理論的本質(zhì)是運用數(shù)學(xué)和計算機語言來表示邏輯關(guān)系的一種控制系統(tǒng)，但是其數(shù)學(xué)模型和變成語言是模糊的邏輯關(guān)系而不是具體的規(guī)則。

通過分析可知，要降低輸送機能耗，根據(jù)運量大小調(diào)節(jié)帶速是關(guān)鍵。因此，利用模糊理論，可以建立運量、帶速和帶速變化率與輸出功率之間的模糊關(guān)系，將這個三輸入一輸出的結(jié)構(gòu)作為模糊控制器，其基本邏輯規(guī)則就是運量與帶速之間的關(guān)系式。

模糊控制算法的實現(xiàn)是通過計算機程序完成的，在實際中一般是利用PLC進行程序的編寫和控制。通過在PLC中存放模糊控制器的邏輯表，利用外部的傳感器采集數(shù)據(jù)的變化，再調(diào)用PLC中的邏輯表就可以實現(xiàn)自動化的調(diào)節(jié)。

2.3節(jié)能控制方案

根據(jù)前面的分析，利用模糊系統(tǒng)和PLC設(shè)計節(jié)能調(diào)節(jié)裝置。通過測量輸送機裝載量、煤倉煤量以及目前輸送機的運行速度，對輸出速度進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以提前設(shè)定煤倉容量的合理范圍，在合理范圍內(nèi)時，根據(jù)運量進行速度的調(diào)整；超出合理容量時，要減少產(chǎn)煤量；不足合理容量范圍時，要對輸送機進行停機。

整個系統(tǒng)可由檢測部分、控制部分和驅(qū)動部分組成。其中，檢測部分主要是檢測輸送機上煤流的厚度、輸送機實時速度；控制部分則是利用PLC將輸入轉(zhuǎn)化為模擬量，之后輸出隨裝載量變化而變化的速度；檢測部分主要是變頻器和通風(fēng)機，變頻器用來調(diào)節(jié)速度，通風(fēng)機用來散熱。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖3.

圖3　節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.4系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

軟件流程按照控制方案進行簡單設(shè)計，首先檢測煤倉容量，如果煤倉超限或者不足則需要減少產(chǎn)量或者停機處理。如果煤倉容量合理，則進行裝載量和帶速的數(shù)據(jù)采集，通過判斷采集數(shù)據(jù)是否合理來進行輸出帶速的計算。系統(tǒng)軟件流程圖見圖4.

3節(jié)能效果理論分析

采用節(jié)能措施以后，節(jié)能效果應(yīng)該是指原系統(tǒng)電動機功率與新系統(tǒng)電動機功率之差，即輸送機恒速運行下的電動機功率與輸送機帶速調(diào)節(jié)后的電動機功率之差。根據(jù)相關(guān)文獻可知，電動機軸所需功率為：

圖4　節(jié)能系統(tǒng)軟件程序流程圖

(1)

式中：

λ1=K1K2CωLg(q＇+q＂+2q0cosβ)·v

λ2=K1K2(CωLgcosβ+gH)

式中：

PM—電動機功率；

K1—電動機功率系數(shù)；

K2—啟動方式系數(shù)；

C、ω—阻力系數(shù)；

β—輸送機傾角，(°)；

v—帶速，m/s；

q—運量,t/h；

q＇—上托輥傳動部分重量,kg/s；

q＂—下托輥傳動部分重量,kg/s；

L—皮帶斜長,m；

H—高差,m；

q0—輸送帶重量,kg/m.

分析輸送機節(jié)能情況可根據(jù)式(1)進行計算，由于采取節(jié)能措施后，輸送帶帶速是按照與裝載量成正比計算的。因此，計算按照空載、20%遞增負(fù)載和滿載進行，計算結(jié)果見表1.

表1　采取節(jié)能措施前后功率計算表

假設(shè)輸送機每天運行時間為22h，其中空載運行3h，60%負(fù)載運行7h，80%負(fù)載運行5h，滿載運行7h. 假設(shè)相關(guān)系數(shù)數(shù)值為：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可以得出輸送機全天節(jié)能率為13.9%.

4總結(jié)

1) 本文從阻力方面分析了影響帶式輸送機輸出功率的主要因素，同時分析了帶速與裝載量之間的關(guān)系。

2) 分析并提出了輸送機節(jié)能方案，利用模糊控制理論和PLC控制技術(shù)，通過對裝載量的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)控制輸出帶速的目的。建立了節(jié)能方案結(jié)構(gòu)框圖和軟件流程圖。

3) 通過計算，對比了采用節(jié)能方案前后電動機的輸出功率，根據(jù)假定的參數(shù)，節(jié)能率為13.9%，證明方案確實有一定的節(jié)能效果。

參考文獻

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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

作者簡介：解志明(1973—)，男，山西臨汾人，2009年畢業(yè)于東北大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作 郝喜軍(1977—)，男，山西大同人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦機電管理工作 聶偉濤(1966—)，男，河北唐縣人，1990年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事礦井地質(zhì)工作

收稿日期：2015-02-23 2014-03-10 2014-03-10

中圖分類號：TD63+4.1

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)04-0019-03