带式输送机节能系统优化设计浅议

摘要：设计了一种基于状态观测器和模糊控制器相结合的带式输送机节能系统。该系统以STM32U575微控制器为核心，以带速、煤料质量为输入信号，经状态观测器分析并模糊推理决策后输出实际带速，进而控制带式输送机能够根据煤料流量动态、自适应调节带速，达到节能降耗的目的。

关键词：节能；状态观测器；张紧力；变频；模糊控制；带式输送机

0引言

带式输送机是矿井高耗能设备，实际工作效率约为55%，长期处于低负荷运行状态，造成极大的电能浪费。为降低电能损耗，刘暾[1]以同忻煤矿主斜井带式输送机为研究对象，基于预见调速控制、煤量自动匹配控制解决了设备调速性能差、能耗高的问题；郝洪涛[2]等针对带式输送机煤量突然增加时造成设备无法及时提速的问题，提出了基于状态重构的带式输送机系统状态观测器，实时监控煤量信息并建立模糊决策控制节能系统，实际仿真结果表明煤量突变时输送机能够保持恒速运行。郭佳佳[3]提出了矿井带式输送机变频改造方案，使得设备启停平稳、延长了胶带使用寿命，降低了设备能量消耗，达到了节能减排的效果。文章基于带式输送机状态观测器、模糊控制技术，设计节能系统，达到节能降耗的目的。

1方案设计

1.1工作原理

带式输送机节能的关键为带速与煤量匹配，即建立煤料识别系统，根据煤量的实时变化动态、自适应调节带速，从而达到节能的目的。传统采用激光测距传感器、电子秤等测量煤量时存在严重的滞后问题，检测信号与实时煤量不同步。优化升级方案为设计状态观测器，实时预测胶带张紧力，将胶带张紧力与电子秤数据同时作为模糊控制器的输入参数，应用模糊推理、模糊决策建立煤量与带速精准模型，精确控制带式输送机带速，工作原理框图如图1所示[4]。设计的模糊控制器为双输入、单输出系统，输入信号为胶带张紧力变化率，取值范围为-144~144N/s；单位长度煤料质量，取值范围为0~400kg/m，输出带速范围为0~4.8m/s。为方便工程实现，以M607带式输送机为例，对实际输送煤料量、代数、单位长度煤料质量的对应关系进行实测并划分为表1，共7个等级。

1.2总体设计

带式输送机节能控制系统总体设计的目标是，在保证设备安全、连续、稳定、高效运行的前提下，达到节能降耗的目的，总体设计框图见图2所示。带式输送机节能控制系统控制器作为核心CPU，周期性的采集带速、机头/机尾电机轴温度、机头/机尾电机电流、电子秤以及功率模块数据，经逻辑、计算后确定该时刻煤料输送量；控制变频器完成电机转速/转矩控制，经模糊控制器后输出对应带速，达到节能降耗的目的。核心CPU需获取带式输送机综合保护单元数据，当数据超出设定的阈值后通过监控平台触发声光语音报警。核心CPU与变频器、监控平台均采用CAN总线方式实现通信。

1.3硬件设计

带式输送机节能控制系统硬件设计包括核心元器件选型、电路原理图绘制以及电气元器件接线图绘制等。核心CPU选用意法半导体公司生产的STM32U575微控制器，采用运行于160MHz的Arm®Cortex®-M33处理器内核，该控制器内置DSP和浮点单元（FPU）并支持面向Armv8-M的TrustZone®技术，进而大大提升了其性能，提供从最大2MBFlash存储器，支持48~169引脚封装。还提供了额外的硬件加密加速引擎，满足带式输送机节能系统设计要求[5-6]。速度传感器选用的型号为KJT-FJ18，该传感器的工作电压为DC10-36V，响应频率为1.5kHz，响应时间小于3ms，具备机行保护、短路保护功能，防护等级为IP65，输出为4~20mA电流信号。温度传感器选用的型号为KTM-FJ01，该传感器采用热电偶测温探头直接测量电机温度，并把温度信号转换为热电动势信号，通过二次仪表转成为被测介质温度，由热电极、绝缘保护套管和接线盒等组成。电子输送带秤选用的型号为HD-ICS-18A型组阵式高精度胶带秤，由测速传感器、胶带秤仪表、显示终端以及称重传感器组成，能够实现多组秤架组合式结构，数字化称重，能够适应不同带宽不同流量不同托辊间距、有爬坡弧度的带式输送机，满足M607型带式输送机工况需求。变频器选用的型号为西门子6ES71，该变频器的额定输出电流为860A，额定输入电压为AC600-690V，支持CAN总线通信[7-8]。功率采集模块选用的型号为EDA9033A，为三相功率采集模块，电压量程为10~500V，电流量程为1~1000A，与变频器一一配对，供需三台变频器3个EDA9033A功率采集模块。EDA9033A功率采集模块将电动机的电压、电流、有功功率、功率因素等参数采集后以CAN总线发送给STM32U575微控制器。

1.4软件设计

带式输送机节能控制系统软件设计基于STM32Cubep-rogrammer开发环境实现，支持高级代码检阅、调试功能，支持STM32的片上山村、片外闪存、选项字节的各种读、写、擦除操作。根据总体设计框图，带式输送机节能控制系统软件主要划分为初始化模块、综合保护数据单元采集模块、变频控制模块、监控平台数据处理模块、CAN总线通信模块、煤料识别模块以及故障处理模块。其中，煤料识别模块采集带式输送机实时带速并传送至状态观测器，与煤料质量作为模糊控制器的输入信号，经模糊推理、决策后输出带速信号，使得带式输送机按照该带速运行。

2方案测试

2.1带式输送机概况

用于方案测试的带式输送机型号为M607，应用于主斜井，核心技术参数见表2所示。额定输送量可达6750t/h，可调带速范围为0~5m/s，输送机带带宽为2000mm，带长为1600m，该带式输送机。

2.2节能效果分析

测试时间为2021年6月至2021年12月，月吨煤耗电数据统计见表3所示，与2020年同期吨煤耗电相比，年节约电费约71万元。应用优化后的带式输送机节能控制系统后，带式输送机能够根据煤料变化动态、自适应调整带速，避免轻载、空载时带式输送机高速运行，造成托辊、滚筒、轴承的机械磨损。带式输送机控制系统优化前后节能效果对比如表4所示。

3结语

第一，带式输送机节能系统基于状态观测器、模糊控制原理，以带速、煤料质量为输入信号，以实际运行带速为输出信号，动态调节带速，实现带速与煤料质量的匹配。第二，实际测试结果表明，优化后的带式输送机节能系统年节约电费约71万元，可减少机械磨损损耗，具有较好的社会经济效益。第三，带式输送机节能系统可向智能化、信息化方向发展。

作者:王长青 单位:山西华阳集团新能股份有限公司一矿机电工区