基于PLC 模糊控制的帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化研究

岳曉輝

（汾西礦業(yè)集團正旺煤業(yè)，山西 孝義 032300）

引言

目前，在全社會范圍內(nèi)開展節(jié)能降耗及資源綜合利用工作日趨流行，煤礦企業(yè)作為能耗大戶，節(jié)能降耗工作也勢在必行。帶式輸送機作為能夠連續(xù)運輸且適應(yīng)性極強的運輸設(shè)備，在我國煤礦井上及井下的煤炭運輸中應(yīng)用廣泛。由于煤礦生產(chǎn)及煤流運輸?shù)牟痪庑?，帶式輸送機裝機時在功率及負載方面一般都留有較大的富裕系數(shù)，加之煤流在多數(shù)時間內(nèi)無法達到滿載條件，造成設(shè)備的空載或低效運轉(zhuǎn)，不僅造成電能的無謂浪費，還使設(shè)備過度磨損，無形中又增加了礦井的運行成本[1-4]。文章在分析現(xiàn)有的帶式輸送機運行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究輸送機運行速度與煤流量的匹配關(guān)系，提出使用PLC 模糊控制原理，建立控制系統(tǒng)的硬件、軟件架構(gòu)，并進行工業(yè)性試驗，自動調(diào)節(jié)輸送機帶速，實現(xiàn)節(jié)能控制需求。

1 煤流量與帶速匹配關(guān)系

影響帶式輸送機能耗的主要參數(shù)包括負載的煤流量及運行速度。在煤流量保持不變時，輸送機功率與運行速度成正比。因此，在能夠滿足輸送機的正常運行狀態(tài)及運力要求的前提下，應(yīng)盡可能降低運行速度，從而降低能耗。具體為：當輸送機上的煤流量Q為0，即設(shè)備空載運行時，將輸送機的運行速度V 設(shè)定為0，但為避免因煤流量較小時輸送機頻繁停開機，可設(shè)置一個最低運行速度Vmin，同時，當煤流量處于一個限值Qmin以下時，輸送機保持以最低速度Vmin運行，當煤流量超過Qmin時，為滿足運力需求，輸送機逐漸提高運行速度，變化關(guān)系如圖1 所示。

圖1 帶式輸送機運行速度與煤流量關(guān)系圖

根據(jù)煤流量與帶速匹配關(guān)系，當煤流量降低時，可通過控制系統(tǒng)，降低輸送機運行速度，當煤流量增大時，可隨時提高輸送機運行速度，從而使煤流量與運行速度達到一個最合理的匹配關(guān)系，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

2 基于PLC 的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計思路

模糊控制是基于模糊算法的語言變量和邏輯推理，對較為復(fù)雜的系統(tǒng)進行數(shù)字化表述和控制，而不必建立精確的數(shù)學(xué)模型。其基本原理是將傳感器采集到的變量值，與給定的變量值進行比較，將比較后的偏差值進行模糊化處理，基于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行模糊推理，得出清晰化的數(shù)字化信息，再將這些信息傳遞給被控制的對象，再通過傳感器對變量進行調(diào)控，其工作原理如圖2 所示。

圖2 模糊控制器基本工作原理示意圖

由于帶式輸送機的運行系統(tǒng)較為復(fù)雜，煤流量變化及動態(tài)調(diào)速同樣也是不可精確化的變量，契合模糊控制的工作原理，從而將PLC 模糊控制原理引入了帶式輸送機調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)原理如下頁圖3 所示。通過PLC 模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)輸送機運行速度與煤流量的匹配關(guān)系，假如在某個節(jié)點對應(yīng)煤流量Q0的運行速度為V0，速度傳感器采集到的實時運行速度為V，通過模糊控制器的模糊處理，得出兩個速度之間的偏差，經(jīng)過PLC 變頻器，得出電機的輸出頻率f，對電機速度進行調(diào)控，進而實現(xiàn)對皮帶輸送機的運行速度進行調(diào)控。

圖3 帶式輸送機PLC 模糊控制系統(tǒng)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)的主要模塊包括上位控制中心、PLC 控制系統(tǒng)、變頻驅(qū)動系統(tǒng)、輸送機保護系統(tǒng)、信號監(jiān)測系統(tǒng)及通信系統(tǒng)。其中，PLC 通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與上位控制中心連接和通信，控制中心經(jīng)PLC 發(fā)出各項指令，PLC 再經(jīng)變頻驅(qū)動系統(tǒng)來對電機進行調(diào)速，反向同樣可進行信息回傳，達到監(jiān)控和系統(tǒng)保護的目的。系統(tǒng)首先可實現(xiàn)節(jié)能控制，并可實現(xiàn)實時監(jiān)控、六大保護、報表查詢和數(shù)據(jù)分析等功能。

在硬件設(shè)計方面，最核心的硬件選型為PLC 控制器，選用西門子品牌的6ES71 型PLC 變頻控制器，能夠滿足本系統(tǒng)功能需求。硬件部分還包括速度傳感器、電子秤、功率采集器、上位機、各項傳感器、數(shù)據(jù)采集存儲器等。在系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計好之后，需要一個系統(tǒng)的軟件將各大系統(tǒng)進行聯(lián)通，從而實現(xiàn)各項預(yù)期功能。基于西門子的WinCC 平臺設(shè)計并編譯本工業(yè)軟件，軟件包括系統(tǒng)管理、監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)管理三大系統(tǒng)，系統(tǒng)管理又包括用戶管理和值班管理兩項內(nèi)容，數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)查詢、故障記錄三項內(nèi)容，監(jiān)控界面又可實現(xiàn)系統(tǒng)運行參數(shù)查詢、綜合保護狀態(tài)查詢、趨勢曲線生成及查詢等功能，具備良好的人機交互性。

3 工業(yè)性試驗及效果分析

利用停產(chǎn)檢修時間，根據(jù)設(shè)計的方案在礦井主運輸皮帶上進行控制系統(tǒng)改造。輸送機長1 600 m，帶寬1.2 m，額定運力為800 t/h，使用3 臺250 kW 電機進行驅(qū)動。在控制系統(tǒng)改造前，按照全年生產(chǎn)300 d，每天工作18 h 計算，全年理論用電量高達40.5 萬kW·h。實施PLC 模糊控制改造后，電機運行改為變頻驅(qū)動，平均運行功率由3 臺電機的750 kW 降為平均550 kW，年用電量降為29.7 萬kW·h，電量消耗降幅達到27%，可節(jié)約電費70 萬余元。同時，設(shè)備原來無論煤流量大小，均以恒定的速度進行運轉(zhuǎn)，由于實施了變頻控制改造，當煤流量減小時，設(shè)備運轉(zhuǎn)速度動態(tài)降低，無形中降低了設(shè)備的機械磨損，據(jù)初步統(tǒng)計，僅主運輸皮帶的配件費一項，每年就可節(jié)約14 萬余元的費用，大大降低了設(shè)備損耗，提高了運行可靠性及設(shè)備壽命。

4 結(jié)論

1）在對輸送機煤流量與帶速匹配關(guān)系進行研究的基礎(chǔ)上，指出煤流量與運行速度達到一個最合理的匹配關(guān)系時能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，并得出了基本的帶式輸送機運行速度與煤流量關(guān)系曲線。

2）基于模糊算法理論和輸送機控制的非精確性特點，提出了模糊控制系統(tǒng)設(shè)計思路，設(shè)計了帶式輸送機PLC 模糊控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)功能、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等進行細化研究。

3）對帶式輸送機PLC 模糊控制系統(tǒng)進行工業(yè)性試驗，即在礦井主運輸皮帶上實施了控制系統(tǒng)改造，經(jīng)測算，僅一部主運輸皮帶，電量消耗降幅達到27%，每年可節(jié)約電費70 萬余元。同時，還降低了設(shè)備的機械磨損，每年就可節(jié)約14 萬余元的配件更換及維護費用，節(jié)能降耗及設(shè)備升級改造效果十分顯著。