帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)淺議

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摘要：設(shè)計(jì)了一種基于狀態(tài)觀測(cè)器和模糊控制器相結(jié)合的帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32U575微控制器為核心，以帶速、煤料質(zhì)量為輸入信號(hào)，經(jīng)狀態(tài)觀測(cè)器分析并模糊推理決策后輸出實(shí)際帶速，進(jìn)而控制帶式輸送機(jī)能夠根據(jù)煤料流量動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)帶速，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；狀態(tài)觀測(cè)器；張緊力；變頻；模糊控制；帶式輸送機(jī)

0引言

帶式輸送機(jī)是礦井高耗能設(shè)備，實(shí)際工作效率約為55%，長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成極大的電能浪費(fèi)。為降低電能損耗，劉暾[1]以同忻煤礦主斜井帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，基于預(yù)見(jiàn)調(diào)速控制、煤量自動(dòng)匹配控制解決了設(shè)備調(diào)速性能差、能耗高的問(wèn)題；郝洪濤[2]等針對(duì)帶式輸送機(jī)煤量突然增加時(shí)造成設(shè)備無(wú)法及時(shí)提速的問(wèn)題，提出了基于狀態(tài)重構(gòu)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控煤量信息并建立模糊決策控制節(jié)能系統(tǒng)，實(shí)際仿真結(jié)果表明煤量突變時(shí)輸送機(jī)能夠保持恒速運(yùn)行。郭佳佳[3]提出了礦井帶式輸送機(jī)變頻改造方案，使得設(shè)備啟停平穩(wěn)、延長(zhǎng)了膠帶使用壽命，降低了設(shè)備能量消耗，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。文章基于帶式輸送機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器、模糊控制技術(shù)，設(shè)計(jì)節(jié)能系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1方案設(shè)計(jì)

1.1工作原理

帶式輸送機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵為帶速與煤量匹配，即建立煤料識(shí)別系統(tǒng)，根據(jù)煤量的實(shí)時(shí)變化動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)帶速，從而達(dá)到節(jié)能的目的。傳統(tǒng)采用激光測(cè)距傳感器、電子秤等測(cè)量煤量時(shí)存在嚴(yán)重的滯后問(wèn)題，檢測(cè)信號(hào)與實(shí)時(shí)煤量不同步。優(yōu)化升級(jí)方案為設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)膠帶張緊力，將膠帶張緊力與電子秤數(shù)據(jù)同時(shí)作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)，應(yīng)用模糊推理、模糊決策建立煤量與帶速精準(zhǔn)模型，精確控制帶式輸送機(jī)帶速，工作原理框圖如圖1所示[4]。設(shè)計(jì)的模糊控制器為雙輸入、單輸出系統(tǒng)，輸入信號(hào)為膠帶張緊力變化率，取值范圍為-144~144N/s；單位長(zhǎng)度煤料質(zhì)量，取值范圍為0~400kg/m，輸出帶速范圍為0~4.8m/s。為方便工程實(shí)現(xiàn)，以M607帶式輸送機(jī)為例，對(duì)實(shí)際輸送煤料量、代數(shù)、單位長(zhǎng)度煤料質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行實(shí)測(cè)并劃分為表1，共7個(gè)等級(jí)。

1.2總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，在保證設(shè)備安全、連續(xù)、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2所示。帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)控制器作為核心CPU，周期性的采集帶速、機(jī)頭/機(jī)尾電機(jī)軸溫度、機(jī)頭/機(jī)尾電機(jī)電流、電子秤以及功率模塊數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯、計(jì)算后確定該時(shí)刻煤料輸送量；控制變頻器完成電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制，經(jīng)模糊控制器后輸出對(duì)應(yīng)帶速，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。核心CPU需獲取帶式輸送機(jī)綜合保護(hù)單元數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值后通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)觸發(fā)聲光語(yǔ)音報(bào)警。核心CPU與變頻器、監(jiān)控平臺(tái)均采用CAN總線方式實(shí)現(xiàn)通信。

1.3硬件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括核心元器件選型、電路原理圖繪制以及外圍電氣元器件接線圖繪制等。核心CPU選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32U575微控制器，采用運(yùn)行于160MHz的Arm®Cortex®-M33處理器內(nèi)核，該控制器內(nèi)置DSP和浮點(diǎn)單元（FPU）并支持面向Armv8-M的TrustZone®技術(shù)，進(jìn)而大大提升了其性能，提供從最大2MBFlash存儲(chǔ)器，支持48~169引腳封裝。還提供了額外的硬件加密加速引擎，滿足帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[5-6]。速度傳感器選用的型號(hào)為KJT-FJ18，該傳感器的工作電壓為DC10-36V，響應(yīng)頻率為1.5kHz，響應(yīng)時(shí)間小于3ms，具備機(jī)行保護(hù)、短路保護(hù)功能，防護(hù)等級(jí)為IP65，輸出為4~20mA電流信號(hào)。溫度傳感器選用的型號(hào)為KTM-FJ01，該傳感器采用熱電偶測(cè)溫探頭直接測(cè)量電機(jī)溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)二次儀表轉(zhuǎn)成為被測(cè)介質(zhì)溫度，由熱電極、絕緣保護(hù)套管和接線盒等組成。電子輸送帶秤選用的型號(hào)為HD-ICS-18A型組陣式高精度膠帶秤，由測(cè)速傳感器、膠帶秤儀表、顯示終端以及稱重傳感器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多組秤架組合式結(jié)構(gòu)，數(shù)字化稱重，能夠適應(yīng)不同帶寬不同流量不同托輥間距、有爬坡弧度的帶式輸送機(jī)，滿足M607型帶式輸送機(jī)工況需求。變頻器選用的型號(hào)為西門(mén)子6ES71，該變頻器的額定輸出電流為860A，額定輸入電壓為AC600-690V，支持CAN總線通信[7-8]。功率采集模塊選用的型號(hào)為EDA9033A，為三相功率采集模塊，電壓量程為10~500V，電流量程為1~1000A，與變頻器一一配對(duì)，供需三臺(tái)變頻器3個(gè)EDA9033A功率采集模塊。EDA9033A功率采集模塊將電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、有功功率、功率因素等參數(shù)采集后以CAN總線發(fā)送給STM32U575微控制器。

1.4軟件設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于STM32Cubep-rogrammer開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，支持高級(jí)代碼檢閱、調(diào)試功能，支持STM32的片上山村、片外閃存、選項(xiàng)字節(jié)的各種讀、寫(xiě)、擦除操作。根據(jù)總體設(shè)計(jì)框圖，帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)軟件主要?jiǎng)澐譃槌跏蓟K、綜合保護(hù)數(shù)據(jù)單元采集模塊、變頻控制模塊、監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊、CAN總線通信模塊、煤料識(shí)別模塊以及故障處理模塊。其中，煤料識(shí)別模塊采集帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)帶速并傳送至狀態(tài)觀測(cè)器，與煤料質(zhì)量作為模糊控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)模糊推理、決策后輸出帶速信號(hào)，使得帶式輸送機(jī)按照該帶速運(yùn)行。

2方案測(cè)試

2.1帶式輸送機(jī)概況

用于方案測(cè)試的帶式輸送機(jī)型號(hào)為M607，應(yīng)用于主斜井，核心技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。額定輸送量可達(dá)6750t/h，可調(diào)帶速范圍為0~5m/s，輸送機(jī)帶帶寬為2000mm，帶長(zhǎng)為1600m，該帶式輸送機(jī)。

2.2節(jié)能效果分析

測(cè)試時(shí)間為2021年6月至2021年12月，月噸煤耗電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3所示，與2020年同期噸煤耗電相比，年節(jié)約電費(fèi)約71萬(wàn)元。應(yīng)用優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)后，帶式輸送機(jī)能夠根據(jù)煤料變化動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)調(diào)整帶速，避免輕載、空載時(shí)帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行，造成托輥、滾筒、軸承的機(jī)械磨損。帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化前后節(jié)能效果對(duì)比如表4所示。

3結(jié)語(yǔ)

第一，帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)基于狀態(tài)觀測(cè)器、模糊控制原理，以帶速、煤料質(zhì)量為輸入信號(hào)，以實(shí)際運(yùn)行帶速為輸出信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶速，實(shí)現(xiàn)帶速與煤料質(zhì)量的匹配。第二，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)年節(jié)約電費(fèi)約71萬(wàn)元，可減少機(jī)械磨損損耗，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。第三，帶式輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)可向智能化、信息化方向發(fā)展。

作者:王長(zhǎng)青 單位:山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司一礦機(jī)電工區(qū)