智能調(diào)速系統(tǒng)在長距離帶式輸送機中的應(yīng)用研究

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，其上鋪子溝砂石加工系統(tǒng)的料源位于系統(tǒng)上游3.7km處的金波石料場，開采的石料就地粗破后，通過半成品帶式輸送機運輸至上鋪子溝砂石加工系統(tǒng)，加工分級為成品骨料后，再由成品料帶式輸送機運輸至高、低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，帶式輸送機總長7.1km[1]。帶式輸送機耗電量大、機械磨損嚴(yán)重、帶速與運量無法合理匹配，導(dǎo)致帶式輸送機長期在半載、輕載工況下高速運行，造成極大的電能浪費和設(shè)備磨損。

2 傳統(tǒng)帶式輸送機存在的問題

長距離帶式輸送系統(tǒng)生產(chǎn)用電量大，驅(qū)動電機的功率在設(shè)計選型時，一般是按最大運量并考慮重負(fù)荷停機啟動進行驅(qū)動設(shè)備功率的選擇，帶式輸送機配置的驅(qū)動電動機一般均有20%～40%富余量，加上帶式輸送機受前方生產(chǎn)不均衡的影響，經(jīng)常處于輕載、空載運行狀態(tài)，導(dǎo)致電動機經(jīng)常處于50%以下的低效率工作狀態(tài)。電機工作效率沒有很好地發(fā)揮，導(dǎo)致帶式輸送機長期在半載、輕載工況下高速運行，造成極大的電能浪費。

帶式輸送機在運行過程中，空載、輕載、重載狀態(tài)下均為高速運行，而空載和輕載時對電動機、減速機、滾筒、托輥、膠帶等設(shè)備產(chǎn)生了不必要的磨損和電能消耗，縮短了設(shè)備的使用壽命。

3 智能調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能運行分析

智能調(diào)速控制系統(tǒng)節(jié)能主要通過減少做無用功消耗的電能和提高電機的工作效率來考慮。根據(jù)DIN 22101設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和實際運行工況，可將帶式輸送機能耗的運行功率劃分為空載運行功率、水平載物功率、提升功率、附加功率等四類功率之和[2]，即：

式中：P1——空載消耗功率，kW；

P2——附加功率，kW；

f——輸送帶的阻力系數(shù)，可按帶式輸送機設(shè)計手冊選用，見表1；

L——帶式輸送機的長度，m；

δ——輸送帶的傾角，根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)輸送帶的傾角小于18°時cosδ=1；

Qm——物料流量，t/h；

ν2——帶速，m/s；

H——提升高度，m。

表1 輸送帶阻力系數(shù)取值[3]

可以看出，對于工況中確定的帶式輸送機，能耗主要與運量、帶速、阻力系數(shù)有關(guān)，而阻力系數(shù)與帶速相關(guān)，帶速越高，阻力系數(shù)取值約大。帶速計算公式如下：

式中：qm——單位長度物料運量，kg/m。

當(dāng)帶式輸送機運輸量變小時，通過減小頻率使帶速與物料流量相匹配，從而節(jié)能；當(dāng)物料量增加時，帶速也相應(yīng)地增加。當(dāng)帶速與物料流量匹配最好時節(jié)能效果最理想，因此，需要用自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度的方法來達(dá)到節(jié)能目的。

4 調(diào)速控制方案的研究與比選

帶式輸送機在輸送物料的過程中，受前方生產(chǎn)量需求的變化、料倉卸料點不均衡等因素影響，輸送帶上的運輸量是不均勻的，很難保證運輸量長時間在某一穩(wěn)定值運行。調(diào)速方案研究初期，擬選用變頻閉環(huán)調(diào)速方案，利用變頻器對輸送量、功率、速度的反饋進行分析計算，以實現(xiàn)運輸速度的自動調(diào)節(jié)。實際運行后，由于運輸量的變化導(dǎo)致變頻器頻率調(diào)整過于頻繁，變頻器發(fā)熱量大，對變頻器的安全運行存在極大的安全隱患。長距離帶式輸送機設(shè)備功率大，相應(yīng)配套的變頻器費用高，一旦變頻器出現(xiàn)故障將產(chǎn)生較大的影響和損失，因此，智能調(diào)速方案必需在保證生產(chǎn)安全的前提下，匹配運輸量完成調(diào)速功能[4]。

經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗，調(diào)速系統(tǒng)的最佳方案是根據(jù)能耗反饋，將速度和調(diào)速范圍控制在一定區(qū)間，根據(jù)對能耗、電流、輸送量、速度等運行數(shù)據(jù)的分析，采用模糊控制確定輸送量和相對應(yīng)的調(diào)速區(qū)間，采用定值進行調(diào)速，進而在實現(xiàn)帶式輸送機速度跟隨運輸量變化而變化的同時，保證低速不灑料，變速平穩(wěn)無故障、不連續(xù)變速等系統(tǒng)要求。調(diào)速在系統(tǒng)實施過程中，在不影響生產(chǎn)的前提下調(diào)試，保證所需數(shù)據(jù)的采集，反復(fù)驗證理論數(shù)據(jù)，增加多個保證安全的措施。結(jié)果表明，調(diào)速效果很好，節(jié)能效果明顯，能達(dá)到預(yù)期效果。

5 調(diào)速控制系統(tǒng)組成及工作原理

智能調(diào)速控制系統(tǒng)包括變頻傳送部分、邏輯控制部分和采樣反饋部分。

變頻傳送部分采用變頻調(diào)速裝置控制電機，使輸送機按照預(yù)先設(shè)定的加速度、減速度，運行時自適應(yīng)調(diào)節(jié)驅(qū)動電機速度。

邏輯控制部分由PLC和上位機構(gòu)成。對設(shè)備進行變頻調(diào)速控制；對傳感器采集來的信號進行分析和處理；對輸送帶按設(shè)定的區(qū)間進行相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)。

采樣反饋部分為皮帶秤動態(tài)稱重傳感器和輸送帶速度傳感器。獲取帶式輸送機瞬時物料流量和輸送帶運行速度數(shù)據(jù)，采集變頻器運行功耗，并把采集的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行分析。依據(jù)輸送帶上的實時載荷和帶速對輸送帶變頻器輸出功率進行調(diào)整，進一步通過模糊控制算法構(gòu)建輸送帶速度、負(fù)載和能耗模糊控制器模型，得到輸送量和帶速的最佳匹配關(guān)系，將帶式輸送機的運行速率和功率匹配在一定的區(qū)間進行定值調(diào)速，輸送量在確定的區(qū)間相對應(yīng)的調(diào)節(jié)變量器輸出頻率(圖1)，從而控制帶式輸送機的節(jié)能運行和安全運行[5]。

圖1 調(diào)速控制系統(tǒng)框架

5.1 調(diào)速參考源

為準(zhǔn)確掌握帶式輸送量，采用懸浮式皮帶秤進行動態(tài)稱量，利用帶式輸送機安裝的重量傳感器及速度傳感器，通過與控制系統(tǒng)通訊和計算，將運輸量反饋至控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面，按其所顯示的瞬時流量，再通過一定的方法計算出累計流量。

為進一步保證輸送量測量的準(zhǔn)確性，避免皮帶秤測量存在偏差時不能及時發(fā)現(xiàn)和糾正。利用帶式輸送機運輸物料過程中，設(shè)備轉(zhuǎn)矩、電流、功率均能反應(yīng)負(fù)載大小的變化，且基本成線值變化，因此，通過讀取設(shè)備運行的功率和速度，進行相應(yīng)的比例計算得出帶式輸送運輸量，該數(shù)值與皮帶秤稱量值進行比較，設(shè)定相應(yīng)的偏差域模糊計算分析，對皮帶秤檢測值進行校核和預(yù)警，從而保證調(diào)速參考源的準(zhǔn)確性。

5.2 控制原理

控制系統(tǒng)通過采集帶式輸送機運輸速度、啟停開關(guān)量狀態(tài)、運輸電流、運輸功率、運輸時間、瞬時運輸量、累計運輸量數(shù)據(jù)、上級帶式輸送機變頻器參數(shù)(包含驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、功率及相關(guān)開關(guān)量狀態(tài)等)，控制系統(tǒng)通過規(guī)則庫制定，將檢測數(shù)據(jù)和邏輯指令數(shù)據(jù)化，將多條件變量變?yōu)榭梢詧?zhí)行的數(shù)據(jù)輸出表。

模糊控制原理中，規(guī)則庫是由若干條模糊語言控制規(guī)則所組成的，這些控制規(guī)則來自于現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場運行的經(jīng)驗性總結(jié)，規(guī)則庫中的控制規(guī)則可以用語言規(guī)則形式給出。“如果—則—”是規(guī)則的基本形式，語句的前半部分是條件或前提，后半部分是結(jié)果，因此，這種規(guī)則蘊含著一種邏輯推理。

根據(jù)控制規(guī)則，整理出對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出表，通過軟件實現(xiàn)自動調(diào)速的功能。整理控制規(guī)則庫見表2。

表2 智能調(diào)速控制規(guī)則庫

6 結(jié)語

以楊房溝水電站上鋪子溝砂石加工系統(tǒng)的半成品、成品料長距離帶式輸送機為依托，分析出通過減少帶式輸送機做無用功消耗和提高電機工作效率的方式來達(dá)到降低能耗的目的，經(jīng)研究比選確定最佳方案是：根據(jù)能耗反饋，采用模糊控制算法構(gòu)建輸送帶速度、功率和運量匹配系統(tǒng)，實現(xiàn)帶式輸送機智能調(diào)速。楊房溝水電站上鋪子溝砂石加工系統(tǒng)的半成品輸送線主要設(shè)備整機額定功率為3×355kW，長度3.7km，實測電量分析，采用常規(guī)自動化控制系統(tǒng)，半成品輸送線單位耗電量為1.08kW·h/t，使用智能調(diào)速系統(tǒng)后，帶速根據(jù)實際運量的變化而變化，單位耗電量降低至0.94kW·h/t，整體節(jié)能13%，效果明顯；另一方面，應(yīng)用智能調(diào)速系統(tǒng)后，帶式輸送機總體上降低了運行速度，減小了電動機、減速機、滾筒、托輥、膠帶等設(shè)備的磨損和消耗，延長了設(shè)備使用壽命，經(jīng)濟和社會效益顯著，所取得的經(jīng)驗可為其他類似工程的設(shè)計與施工提供借鑒和參考。