基于煤流檢測的皮帶機(jī)調(diào)速控制技術(shù)研究

郭 珂

（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 046000）

目前在采礦業(yè)、燃煤電廠、鋼鐵工業(yè)和干散貨碼頭等應(yīng)用場景中，皮帶機(jī)應(yīng)用的數(shù)量使用的較多，同時(shí)也是各大生產(chǎn)場地中主要的耗電設(shè)備之一。在全球范圍內(nèi)的材料運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)中，皮帶機(jī)運(yùn)輸占據(jù)著較大的市場份額，隨著人們環(huán)保意識和理念的不斷提升，如何降低皮帶機(jī)的損耗，提升皮帶機(jī)的效率成為了技術(shù)人員的重點(diǎn)研究對象，但是對現(xiàn)狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，只有少部分的皮帶機(jī)完成了優(yōu)化。

在過去幾十年的應(yīng)用實(shí)踐中，為了降低皮帶機(jī)的能量損耗，技術(shù)人員提出了多樣的技術(shù)方案。主要有以下幾項(xiàng)：①采用性能更加優(yōu)異的組件，將最新的技術(shù)應(yīng)用到輸送帶中，降低皮帶的摩擦系數(shù)，或者采用最新的更先進(jìn)的托輥組，采用輸出效率更高的電機(jī)；②對皮帶機(jī)群的綜合運(yùn)用進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；③對皮帶機(jī)的調(diào)整方式進(jìn)行了優(yōu)化，其中包含了皮帶機(jī)的起動和停止控制、并可按負(fù)載調(diào)整傳動軸轉(zhuǎn)速[1-3]。

通過綜合應(yīng)用上述提到的技術(shù)方案，可以使得系統(tǒng)的效率得到較為明顯的提升，同時(shí)，上述的幾種方法也可以獨(dú)立應(yīng)用。在本文中，主要研究如何通過速度調(diào)節(jié)的方式提升系統(tǒng)的效率。這種優(yōu)化方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢，大多數(shù)的方法需要在設(shè)計(jì)時(shí)就確定了系統(tǒng)的性能，而調(diào)速法可以在使用的過程中隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。

經(jīng)過大量的文獻(xiàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，對皮帶的速度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率提升的研究存在不同的見解。但是大量的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)顯示，及時(shí)地對皮帶機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能有效地提升皮帶機(jī)的效率，對于優(yōu)化系統(tǒng)的能源效率具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

1 皮帶機(jī)調(diào)速的目標(biāo)和方案

在現(xiàn)代皮帶機(jī)系統(tǒng)中，變速驅(qū)動器的應(yīng)用越來越廣泛，并且在鼠籠式電機(jī)和變速器之間采用變頻器進(jìn)行連接。對比變速驅(qū)動器和傳統(tǒng)驅(qū)動器的性能指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，變頻驅(qū)動器的優(yōu)點(diǎn)是具有更低的功耗和更小的機(jī)械磨損，除此之外，本調(diào)速系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測到輸送機(jī)系統(tǒng)上的負(fù)載，并根據(jù)負(fù)載將速度調(diào)節(jié)到合適的范圍，從而使得系統(tǒng)效率在最優(yōu)的區(qū)間內(nèi)。

在正常的工作條件下，皮帶機(jī)一般不會在滿負(fù)荷的情況下工作，其中一方面的原因是無法及時(shí)地判斷前方來料的質(zhì)量，另一方面的原因是為了保證安全在設(shè)計(jì)中有較大的安全冗余。特別是皮帶機(jī)集群，會在后部皮帶機(jī)設(shè)計(jì)較大的冗余，造成整個系統(tǒng)的整體負(fù)載率較低。為了減少能量損失，在運(yùn)輸?shù)牧髁枯^低時(shí)，可以采取降低輸送帶運(yùn)行速度的措施，提升單位時(shí)間內(nèi)皮帶機(jī)的運(yùn)煤量。

在獲取入口煤流量的的基礎(chǔ)上，進(jìn)行速度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。為了準(zhǔn)確及時(shí)地檢測出入口的煤流量，就需要在前級皮帶機(jī)的位置上安裝專門的傳感器，考慮到速度調(diào)節(jié)過程中，決策和執(zhí)行需要一定的時(shí)間，所以需要對來料的多少進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)判，為了實(shí)現(xiàn)這種目的，通常將煤流傳感器安裝在前一級的皮帶機(jī)，和當(dāng)前皮帶機(jī)保持合適的距離，圖1顯示了傳感器的實(shí)際安裝位置。

圖1 煤流傳感器的位置和安裝

控制邏輯：①第1 階段，基于前一級皮帶機(jī)安裝位置的傳感器探測到的物料信息，并與前級皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作時(shí)間相結(jié)合，建立了前級皮帶機(jī)掃描裝置安裝后的實(shí)時(shí)煤流曲線；②第2個階段是在調(diào)速皮帶機(jī)的入口，根據(jù)實(shí)時(shí)煤流圖，對本段皮帶機(jī)入口進(jìn)煤進(jìn)行預(yù)測；③第3階段是結(jié)合獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)節(jié)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并獲得最終的運(yùn)行速度[4-7]。

在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的方式上，利用煤流傳感器對煤流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用速度傳感器對煤流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用該數(shù)據(jù)建立煤流的緩沖區(qū)域；根據(jù)記錄的當(dāng)前時(shí)間、煤流剖面的信息及速度信息，并依照FIFO（先進(jìn)先出）的原理，按時(shí)間順序?qū)⒚毫髦械拿毫餍畔⑦M(jìn)行轉(zhuǎn)移。

對于皮帶機(jī)的入口煤流量，t0到t1時(shí)間間隔內(nèi)的物料累計(jì)量。

式中：k——等效系數(shù)；

V——時(shí)間間隔內(nèi)的煤量分布體積；

s——煤流的截面積；

v——煤流的運(yùn)行速度。

其等效公式可表示為：

式中：si——煤流的瞬時(shí)截面積；

vi—煤流的瞬時(shí)速率；

ti——時(shí)間周期；

n——采樣次數(shù)。

系統(tǒng)在獲取了實(shí)際的煤流量和當(dāng)前的電機(jī)真實(shí)負(fù)載的情況下，根據(jù)煤流量的預(yù)測信息，輸出皮帶機(jī)的預(yù)期速度，并通過數(shù)據(jù)通訊將速度控制指令發(fā)送到控制驅(qū)動器。為了降低對機(jī)械裝置的影響，系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，應(yīng)限制驅(qū)動器輸出電壓和電流的大小。

在對上述的煤流量進(jìn)行系統(tǒng)的分析后，確定采用分級調(diào)速的方法。本文根據(jù)皮帶機(jī)運(yùn)行速度的大小分為三個擋位（分為對應(yīng)皮帶機(jī)的頻率為45Hz、40Hz、35Hz)，分別對應(yīng)皮帶機(jī)運(yùn)行的高速、中速和低速。

2 皮帶機(jī)調(diào)速的現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試的對象主要是硬件和軟件的測試：硬件測試為煤流傳感器，軟件測試為調(diào)試算法。

（1）煤流傳感器的測試。在試驗(yàn)過程中，通過無接觸式的煤流傳感器獲取數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對皮帶輸送機(jī)上來料的不間斷掃描，并對獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理和分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以識別的格式，然后通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)快速地進(jìn)行傳輸，從而達(dá)到有效地控制和分析的效果。

不同物料下外形的顯示和變化如圖2所示。

圖2 不同物料下外形的顯示和變化

（2）皮帶機(jī)調(diào)速算法的測試。在進(jìn)行硬件性能測試時(shí)，煤流傳感器安裝在前級皮帶機(jī)上，及時(shí)地記錄皮帶機(jī)的煤流量；在進(jìn)行軟件性能測試時(shí)，通過數(shù)據(jù)傳輸總線對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并實(shí)現(xiàn)了和系統(tǒng)控制單元的信息交互，系統(tǒng)既能夠獲取到當(dāng)前皮帶和前一級皮帶的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)輸出當(dāng)前皮帶的速度指令。在實(shí)際礦山生產(chǎn)的現(xiàn)場中，對皮帶機(jī)的算法進(jìn)行了驗(yàn)證，并實(shí)時(shí)地記錄了現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)[7-9]，圖3顯示了實(shí)際的運(yùn)行曲線。

圖3 運(yùn)行曲線

圖3中編號1 表示了前級皮帶輸送機(jī)的煤流量，2表示了該皮帶輸送機(jī)的工作頻率，3表示了該皮帶輸送機(jī)的工作扭矩。在時(shí)線上，兩條虛線的間隔是6h，因此可以得知圖3反映了系統(tǒng)24h的運(yùn)行數(shù)據(jù)。編號2的三擋工作頻率在35Hz處工作的時(shí)間最多，在少數(shù)時(shí)間系統(tǒng)的工作頻率為40Hz，極少數(shù)時(shí)間系統(tǒng)在45Hz 處工作。

圖4顯示了帶機(jī)轉(zhuǎn)速與帶機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系。圖4中的1 號是皮帶機(jī)的工作頻率，現(xiàn)在是45Hz、40Hz、35Hz 三個速度擋位，二號是皮帶機(jī)的工作扭矩曲線。在時(shí)間軸線上，兩條豎直的白點(diǎn)之間是12h，因此可以得知圖4反映了系統(tǒng)24h的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖4 皮帶機(jī)速度和皮帶機(jī)負(fù)載的關(guān)系曲線

皮帶機(jī)調(diào)速的最終目的是保證速度能夠隨著負(fù)載的變化進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)[10-11]。當(dāng)皮帶機(jī)上的負(fù)載較大時(shí)，應(yīng)該相應(yīng)提高皮帶機(jī)的速度；當(dāng)皮帶機(jī)上的負(fù)載較小時(shí)，應(yīng)該相應(yīng)地降低皮帶機(jī)的速度，通過圖4的結(jié)果可以表明本文提出的調(diào)速邏輯具有較高的應(yīng)用效果。煤流傳感器應(yīng)用的目的是及時(shí)地預(yù)測皮帶機(jī)的負(fù)載，系統(tǒng)中缺乏煤流傳感器就無法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

本文主要研究了皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法，研制了一種利用煤流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器檢測煤流、預(yù)測煤流未來煤流的方法，并在此研究方法的基礎(chǔ)上，對皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行及時(shí)的調(diào)節(jié)，從而使得系統(tǒng)的效率得到較大的提升。經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)踐，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性，在實(shí)踐中有較好的效果。