帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

荊文杰

（晉能控股煤業(yè)集團機電管理分公司， 山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機是廣泛使用的物流輸送裝置，在礦井、港口等領(lǐng)域起著重要的作用。帶式輸送機的運輸能力強，輸送距離遠，可以滿足各種大型化的應(yīng)用?，F(xiàn)階段使用的大多數(shù)帶式輸送機采用恒速運行的方式，在實際的應(yīng)用過程中，由于裝載的物料不可能全部以滿載的形式運行[1]，造成了帶式輸送機運行中大量電能的浪費。針對帶式輸送機的節(jié)能研究，主要包括減少系統(tǒng)的功耗及提高傳動系統(tǒng)的效率，這兩種方式對設(shè)備的改造及升級成本較大，節(jié)能效果受設(shè)備自身的影響較大。針對帶式輸送機的節(jié)能問題，依據(jù)模糊控制的控制策略，結(jié)合傳感器進行環(huán)境及參數(shù)數(shù)據(jù)的采集[2]，從而進行帶式輸送機的調(diào)控控制，實現(xiàn)帶式輸送機的節(jié)能運行。

1 帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

帶式輸送機以恒定速度運行，運行速度不能依據(jù)裝載量的大小進行調(diào)節(jié)，造成電能的浪費，且在煤礦應(yīng)用中，在帶式輸送機的啟動階段，大多處于空載，若能依據(jù)裝載量的大小進行速度的調(diào)節(jié)，則可以提高能源的利用率[3]，減少電能的浪費。模糊控制作為智能控制中較為成熟的控制方式有較為廣泛的應(yīng)用。模糊控制系統(tǒng)主要由模糊控制器和控制對象構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。模糊控制器中包含模糊化與反模糊化接口及推理機和知識庫，模糊控制器接收輸入的誤差及誤差變化率等數(shù)值[4]，依據(jù)知識庫的數(shù)據(jù)及規(guī)則完成推理過程，并將推理結(jié)果傳輸?shù)巾憫?yīng)控制量。

圖1 模糊控制的結(jié)構(gòu)示意圖

帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，節(jié)能系統(tǒng)包含節(jié)能控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和安全等級的評判系統(tǒng)，以保證帶式輸送機的安全運行。帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)包括軟硬件平臺，硬件部分包括傳感器部件、PLC 及變頻器控制部件、上位機部件等，軟件部分通過組態(tài)網(wǎng)及Matlab 軟件進行聯(lián)合控制，進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示及處理，對系統(tǒng)進行安全評定及控制。在帶式輸送機中安裝有多個傳感器，進行載重、帶速、皮帶溫度等數(shù)據(jù)的采集[5]，將采集的數(shù)據(jù)通過PLC 傳輸至組態(tài)網(wǎng)中，通過MATLAB 對采集的數(shù)據(jù)進行處理[6]，并將系統(tǒng)回傳至組態(tài)網(wǎng)顯示，實現(xiàn)人機交互控制。PLC 執(zhí)行響應(yīng)的調(diào)速控制策略，將數(shù)據(jù)傳輸至變頻器，進行帶式輸送機帶速的調(diào)節(jié)。

圖2 帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)的連接設(shè)計

對控制系統(tǒng)進行總體結(jié)構(gòu)連接設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示，系統(tǒng)共包含檢測單元、PLC 控制單元、電網(wǎng)參數(shù)單元及上位機單元4 個部分。檢測單元包括一系列的數(shù)據(jù)采集裝置，將采集到的數(shù)據(jù)進行傳輸。傳感器對控制系統(tǒng)的性能具有重要的作用，依據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)得到帶式輸送機的運行狀態(tài)參數(shù)，傳入至PLC 控制單元中。電網(wǎng)參數(shù)單元用于在帶式輸送機運行過程中采集響應(yīng)的電網(wǎng)電壓、電流及功耗等參數(shù)[7]，通過電參數(shù)采集模塊以RS485 通信的方式將參數(shù)傳輸至PLC 控制單元中。

圖3 帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

PLC 控制單元接收傳感器及電參數(shù)采集模塊的信號數(shù)據(jù)，開關(guān)量模塊接收及控制繼電器等開關(guān)量的通斷，PLC 中的輸出模塊用于給變頻器輸出模擬信號，控制變頻器的輸出；開關(guān)量模塊用于接收各個開關(guān)的信號，控制各繼電器的通斷。PLC 控制單元與上位機之間通過TCP/IP 協(xié)議進行通信，PLC 控制單元的連接如圖4 所示。上位機單元是連接在線監(jiān)控系統(tǒng)和運行參數(shù)之間的組成，由組態(tài)軟件及MATLAB 數(shù)據(jù)處理軟件組成，MATLAB 對采集到的數(shù)據(jù)進行綜合計算并實時顯示在上位機中，提供人機交互的功能。

圖4 PLC 控制單元連接

3 帶式輸送機模糊節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

對于所設(shè)計的模糊節(jié)能控制系統(tǒng)，以某煤礦的帶式輸送機應(yīng)用進行節(jié)能效果分析。該帶式輸送機的參數(shù)中輸送帶長度為1 800 m，帶寬為2.1 m，最大運行速度為6 m/s，輸送機的傾角為10°，運行時間為20 h/d，輸送帶最大載重量M，礦井中煤炭的運載量在一天中的變化情況為以M/6 為梯度，在0～M/6載重工況下運行2 h，在M/6～2M/6 載重工況下運行3 h，在2M/6～3M/6 載重工況下運行4 h，在3M/6～4M/6 載重工況下運行4 h，在4M/6～5M/6 載重工況下運行3 h，在5M/6～M 載重工況下運行4 h[8]。帶式輸送機每年工作時間以300 d 計，得到采用模糊節(jié)能控制系統(tǒng)運行一年節(jié)能約為2 000 kW·h，可大大節(jié)約帶式輸送機電能的消耗，對于煤礦的節(jié)能具有積極的意義，有利于提高煤礦的綜合經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

帶式輸送機的運載量大，輸送距離遠，是煤礦等進行物流輸送的重要設(shè)備。在帶式輸送機的運行過程中，由于工況的變化，造成帶式輸送機運載量的變化，若不能依據(jù)運載量及時調(diào)節(jié)輸送速度，則容易造成大量能源的浪費。針對帶式輸送機的節(jié)能研究，采用模糊控制的方式，并以載重、給煤量及載重變化率作為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過模糊決策控制對帶式輸送機的運行速度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能運行的目的。依據(jù)控制系統(tǒng)的功能，設(shè)計了模糊節(jié)能控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過PLC、變頻器、傳感器及上位機搭建了系統(tǒng)的硬件連接平臺，通過PLC 軟件來采集響應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)，由輸出模塊及開關(guān)量模塊控制響應(yīng)的繼電器及變頻器，實現(xiàn)對輸送帶速度的調(diào)節(jié)。同時，系統(tǒng)還保證了帶式輸送機的安全運行及狀態(tài)的實時顯示，提高系統(tǒng)運行的人機交互性。在實際的應(yīng)用中，依據(jù)模糊節(jié)能控制系統(tǒng)控制帶式輸送機的運行，具有良好的節(jié)能效果，可實現(xiàn)帶式輸送機的節(jié)能運行，提高煤礦的綜合經(jīng)濟效益。