帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計淺議

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摘要：設(shè)計了一種基于狀態(tài)觀測器和模糊控制器相結(jié)合的帶式輸送機節(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，經(jīng)狀態(tài)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(jù)煤料流量動態(tài)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)帶速，達到節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；狀態(tài)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(shè)備，實際工作效率約為55%，長期處于低負荷運行狀態(tài)，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(yù)見調(diào)速控制、煤量自動匹配控制解決了設(shè)備調(diào)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(shè)備無法及時提速的問題，提出了基于狀態(tài)重構(gòu)的帶式輸送機系統(tǒng)狀態(tài)觀測器，實時監(jiān)控煤量信息并建立模糊決策控制節(jié)能系統(tǒng)，實際仿真結(jié)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(shè)備啟停平穩(wěn)、延長了膠帶使用壽命，降低了設(shè)備能量消耗，達到了節(jié)能減排的效果。文章基于帶式輸送機狀態(tài)觀測器、模糊控制技術(shù)，設(shè)計節(jié)能系統(tǒng)，達到節(jié)能降耗的目的。

1方案設(shè)計

1.1工作原理

帶式輸送機節(jié)能的關(guān)鍵為帶速與煤量匹配，即建立煤料識別系統(tǒng)，根據(jù)煤量的實時變化動態(tài)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)帶速，從而達到節(jié)能的目的。傳統(tǒng)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(yōu)化升級方案為設(shè)計狀態(tài)觀測器，實時預(yù)測膠帶張緊力，將膠帶張緊力與電子秤數(shù)據(jù)同時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(shè)計的模糊控制器為雙輸入、單輸出系統(tǒng)，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(zhì)量，取值范圍為0~400kg/m，輸出帶速范圍為0~4.8m/s。為方便工程實現(xiàn)，以M607帶式輸送機為例，對實際輸送煤料量、代數(shù)、單位長度煤料質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系進行實測并劃分為表1，共7個等級。

1.2總體設(shè)計

帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)總體設(shè)計的目標是，在保證設(shè)備安全、連續(xù)、穩(wěn)定、高效運行的前提下，達到節(jié)能降耗的目的，總體設(shè)計框圖見圖2所示。帶式輸送機節(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(shù)據(jù)，經(jīng)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(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制，經(jīng)模糊控制器后輸出對應(yīng)帶速，達到節(jié)能降耗的目的。核心CPU需獲取帶式輸送機綜合保護單元數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值后通過監(jiān)控平臺觸發(fā)聲光語音報警。核心CPU與變頻器、監(jiān)控平臺均采用CAN總線方式實現(xiàn)通信。

1.3硬件設(shè)計

帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32U575微控制器，采用運行于160MHz的Arm®Cortex®-M33處理器內(nèi)核，該控制器內(nèi)置DSP和浮點單元（FPU）并支持面向Armv8-M的TrustZone®技術(shù)，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(jié)能系統(tǒng)設(shè)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(yīng)頻率為1.5kHz，響應(yīng)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(zhuǎn)換為熱電動勢信號，通過二次儀表轉(zhuǎn)成為被測介質(zhì)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?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，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(shù)采集后以CAN總線發(fā)送給STM32U575微控制器。

1.4軟件設(shè)計

帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計基于STM32Cubep-rogrammer開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)，支持高級代碼檢閱、調(diào)試功能，支持STM32的片上山村、片外閃存、選項字節(jié)的各種讀、寫、擦除操作。根據(jù)總體設(shè)計框圖，帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)軟件主要劃分為初始化模塊、綜合保護數(shù)據(jù)單元采集模塊、變頻控制模塊、監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)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(tài)觀測器，與煤料質(zhì)量作為模糊控制器的輸入信號，經(jīng)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(yīng)用于主斜井，核心技術(shù)參數(shù)見表2所示。額定輸送量可達6750t/h，可調(diào)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(jié)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(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3所示，與2020年同期噸煤耗電相比，年節(jié)約電費約71萬元。應(yīng)用優(yōu)化后的帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)后，帶式輸送機能夠根據(jù)煤料變化動態(tài)、自適應(yīng)調(diào)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(tǒng)優(yōu)化前后節(jié)能效果對比如表4所示。

3結(jié)語

第一，帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)基于狀態(tài)觀測器、模糊控制原理，以帶速、煤料質(zhì)量為輸入信號，以實際運行帶速為輸出信號，動態(tài)調(diào)節(jié)帶速，實現(xiàn)帶速與煤料質(zhì)量的匹配。第二，實際測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)年節(jié)約電費約71萬元，可減少機械磨損損耗，具有較好的社會經(jīng)濟效益。第三，帶式輸送機節(jié)能系統(tǒng)可向智能化、信息化方向發(fā)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(qū)