帶式輸送機節能系統優化設計淺議
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摘要：設計了一種基于狀態觀測器和模糊控制器相結合的帶式輸送機節能系統。該系統以STM32U575微控制器為核心，以帶速、煤料質量為輸入信號，經狀態觀測器分析并模糊推理決策后輸出實際帶速，進而控制帶式輸送機能夠根據煤料流量動態、自適應調節帶速，達到節能降耗的目的。
關鍵詞：節能；狀態觀測器；張緊力；變頻；模糊控制；帶式輸送機
0引言
帶式輸送機是礦井高耗能設備，實際工作效率約為55%，長期處于低負荷運行狀態，造成極大的電能浪費。為降低電能損耗，劉暾[1]以同忻煤礦主斜井帶式輸送機為研究對象，基于預見調速控制、煤量自動匹配控制解決了設備調速性能差、能耗高的問題；郝洪濤[2]等針對帶式輸送機煤量突然增加時造成設備無法及時提速的問題，提出了基于狀態重構的帶式輸送機系統狀態觀測器，實時監控煤量信息并建立模糊決策控制節能系統，實際仿真結果表明煤量突變時輸送機能夠保持恒速運行。郭佳佳[3]提出了礦井帶式輸送機變頻改造方案，使得設備啟停平穩、延長了膠帶使用壽命，降低了設備能量消耗，達到了節能減排的效果。文章基于帶式輸送機狀態觀測器、模糊控制技術，設計節能系統，達到節能降耗的目的。
1方案設計
1.1工作原理
帶式輸送機節能的關鍵為帶速與煤量匹配，即建立煤料識別系統，根據煤量的實時變化動態、自適應調節帶速，從而達到節能的目的。傳統采用激光測距傳感器、電子秤等測量煤量時存在嚴重的滯后問題，檢測信號與實時煤量不同步。優化升級方案為設計狀態觀測器，實時預測膠帶張緊力，將膠帶張緊力與電子秤數據同時作為模糊控制器的輸入參數，應用模糊推理、模糊決策建立煤量與帶速精準模型，精確控制帶式輸送機帶速，工作原理框圖如圖1所示[4]。設計的模糊控制器為雙輸入、單輸出系統，輸入信號為膠帶張緊力變化率，取值范圍為-144~144N/s；單位長度煤料質量，取值范圍為0~400kg/m，輸出帶速范圍為0~4.8m/s。為方便工程實現，以M607帶式輸送機為例，對實際輸送煤料量、代數、單位長度煤料質量的對應關系進行實測并劃分為表1，共7個等級。
1.2總體設計
帶式輸送機節能控制系統總體設計的目標是，在保證設備安全、連續、穩定、高效運行的前提下，達到節能降耗的目的，總體設計框圖見圖2所示。帶式輸送機節能控制系統控制器作為核心CPU，周期性的采集帶速、機頭/機尾電機軸溫度、機頭/機尾電機電流、電子秤以及功率模塊數據，經邏輯、計算后確定該時刻煤料輸送量；控制變頻器完成電機轉速/轉矩控制，經模糊控制器后輸出對應帶速，達到節能降耗的目的。核心CPU需獲取帶式輸送機綜合保護單元數據，當數據超出設定的閾值后通過監控平臺觸發聲光語音報警。核心CPU與變頻器、監控平臺均采用CAN總線方式實現通信。
1.3硬件設計
帶式輸送機節能控制系統硬件設計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選用意法半導體公司生產的STM32U575微控制器，采用運行于160MHz的Arm®Cortex®-M33處理器內核，該控制器內置DSP和浮點單元（FPU）并支持面向Armv8-M的TrustZone®技術，進而大大提升了其性能，提供從最大2MBFlash存儲器，支持48~169引腳封裝。還提供了額外的硬件加密加速引擎，滿足帶式輸送機節能系統設計要求[5-6]。速度傳感器選用的型號為KJT-FJ18，該傳感器的工作電壓為DC10-36V，響應頻率為1.5kHz，響應時間小于3ms，具備機行保護、短路保護功能，防護等級為IP65，輸出為4~20mA電流信號。溫度傳感器選用的型號為KTM-FJ01，該傳感器采用熱電偶測溫探頭直接測量電機溫度，并把溫度信號轉換為熱電動勢信號，通過二次儀表轉成為被測介質溫度，由熱電極、絕緣保護套管和接線盒等組成。電子輸送帶秤選用的型號為HD-ICS-18A型組陣式高精度膠帶秤，由測速傳感器、膠帶秤儀表、顯示終端以及稱重傳感器組成，能夠實現多組秤架組合式結構，數字化稱重，能夠適應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，滿足M607型帶式輸送機工況需求。變頻器選用的型號為西門子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，供需三臺變頻器3個EDA9033A功率采集模塊。EDA9033A功率采集模塊將電動機的電壓、電流、有功功率、功率因素等參數采集后以CAN總線發送給STM32U575微控制器。
1.4軟件設計
帶式輸送機節能控制系統軟件設計基于STM32Cubep-rogrammer開發環境實現，支持高級代碼檢閱、調試功能，支持STM32的片上山村、片外閃存、選項字節的各種讀、寫、擦除操作。根據總體設計框圖，帶式輸送機節能控制系統軟件主要劃分為初始化模塊、綜合保護數據單元采集模塊、變頻控制模塊、監控平臺數據處理模塊、CAN總線通信模塊、煤料識別模塊以及故障處理模塊。其中，煤料識別模塊采集帶式輸送機實時帶速并傳送至狀態觀測器，與煤料質量作為模糊控制器的輸入信號，經模糊推理、決策后輸出帶速信號，使得帶式輸送機按照該帶速運行。
2方案測試
2.1帶式輸送機概況
用于方案測試的帶式輸送機型號為M607，應用于主斜井，核心技術參數見表2所示。額定輸送量可達6750t/h，可調帶速范圍為0~5m/s，輸送機帶帶寬為2000mm，帶長為1600m，該帶式輸送機。
2.2節能效果分析
測試時間為2021年6月至2021年12月，月噸煤耗電數據統計見表3所示，與2020年同期噸煤耗電相比，年節約電費約71萬元。應用優化后的帶式輸送機節能控制系統后，帶式輸送機能夠根據煤料變化動態、自適應調整帶速，避免輕載、空載時帶式輸送機高速運行，造成托輥、滾筒、軸承的機械磨損。帶式輸送機控制系統優化前后節能效果對比如表4所示。
3結語
第一，帶式輸送機節能系統基于狀態觀測器、模糊控制原理，以帶速、煤料質量為輸入信號，以實際運行帶速為輸出信號，動態調節帶速，實現帶速與煤料質量的匹配。第二，實際測試結果表明，優化后的帶式輸送機節能系統年節約電費約71萬元，可減少機械磨損損耗，具有較好的社會經濟效益。第三，帶式輸送機節能系統可向智能化、信息化方向發展。
作者:王長青 單位:山西華陽集團新能股份有限公司一礦機電工區