doi:10.13436/j.mkjx.201701057煤矿机械CoalMineMachineryVol.38No.01Jan.2017第38卷第01期2017年01月0引言带式输送机作为煤矿、港口等生产领域中主要的运输设备之一，其用电量占生产过程中总用电量的比重很大。由于输送机设备存在着诸多可以改进的地方，因而也成为了节能潜力很大的设备。由于受到矿井生产的实际条件制约，煤炭产量生产不平衡现象比较明显。传统带式输送机控制简单粗放，在煤炭实际生产过程中，当煤产量较小或带式输送机空载时仍会以一个固定的速率运行，造成了不必要的电能浪费，从而对生产效益带来损失。本文通过对煤矿生产过程中实际工作与相关的技术条件进行分析探索，对带式输送机控制系统的最优化设计进行研究，从而设计智能动态控制系统。鉴于此，本文进行了煤流量检测技术以及带式输送机自适应调速技术研究，设计一种可靠、智能、高效的带式输送机自适应速率控制系统。1煤流量检测技术的研究传统带式输送机耗能较大，优化带式输送机控制流程的目标是利用有效可靠的煤流检测方法，以此作为调整带速的依据。为实现带式输送机煤流量实时监测，本文研究了基于超声波的煤流量检测技术。图1中描述的是煤流量检测实现流程，其实现具体过程：在输送机机尾附近安装1台超声波传感器，实时检测输送带煤流高度。通过软件积分，推算输送带上的煤量，结合负载电流、上部带式输送机运行状态、煤仓煤位、自动对变频器进行调速控制，从而节能降耗。图1煤流量检测工作流程图基于此可完成煤流量检测装置的设计，实现带式输送机煤流量的实时监测功能，为进一步研究带式输送机自适应调速技术提供基础。2带式输送机自适应调速技术研究与系统设计考虑到矿井实际的情况：系统是在井下工作，煤矿带式输送机现场环境恶劣、干扰性强，同时还应考煤流量检测及带式输送机自适应调速技术研究马刚，张运华(兖州煤业股份有限公司，山东邹城273500)摘要：针对煤矿生产过程中带式输送机电能浪费严重的问题，研究了基于超声波的煤流量检测技术，实现了带式输送机煤流量实时监测，在此基础上进行了带式输送机自适应调速系统设计。实际应用表明，该系统可根据带式输送机中运输煤流量的大小变化自动调节带速、节能效果明显，适于煤矿生产需求。关键词：煤流量检测技术；自适应调速；节能控制中图分类号：TD528文献标志码：A文章编号：1003－0794（2017）01－0158－04StudyonCoalFlowDetectionandBeltConveyorSelf-adaptiveSpeedControlMAGang，ZHANGYun-hua（YanzhouCoalMiningCo.,Ltd.,Zoucheng273500，China）Abstract:Aimingattheseriouswasteofelectricenergyofbeltconveyerincoalmineproductionprocess，thecoalflowdetectiontechnologybasedonultrasonicwaveisstudied.Thistechnologyrealizesreal-timemonitoringofcoalflowofbeltconveyer.Onthisbasis,thebeltconveyorself-adaptivespeedcontrolsystemisdesigned.Theactualapplicationshowedthatthesystemcanautomaticallyadjustthebeltspeedbeltconveyorinaccordancewithchangesinthesizeofcoaltransportationflow,energy-savingeffect,suitableforcoalmineproductionneeds.Keywords:coalflowmeasurementtechnology;self-adaptivespeedcontrol;energy-savingcontrol带式输送机机尾附近安装超声波传感器超声波传感器实时检测输送带煤流高度超声波传感器实时检测输送带煤流高度根据煤量对带式输送机进行调速控制通过软件积分，推算输送带上的煤量158中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第38卷第01期Vol.38No.01煤流量检测及带式输送机自适应调速技术研究———马刚，等虑到安全经济的因素。本文设计的自适应调速控制系统的控制核心是Logix1756，系统主要包括：①上位机监控系统上位机选用的是610H系列的工控机，以此作为监控平台。同时，选用力控Forcecontrolsp6.3以搭建带式输送机监测控制组态界面；②PLC控制核心系统核心组成部分。PLC控制核心实现数据采集运算与控制信号输出，本文选用了Logix1756系列PLC。PLC通过双CPU冗余技术保证系统安全；③变频驱动装置变频驱动装置采用TMdrive-MV。该装置为高－高结构变频器，变频驱动装置对电流异常状况具有保护和调节等功能，可实现带式输送机的安全运行；④带式输送机保护系统采用KTC101保护装置；⑤信号监测装置该装置主要用于信号的检测与监控功能；⑥通讯装置该装置负责设备的通讯工作。带式输送机自适应调速系统旨在实现煤多提速、煤少减速、以采定运。变频调速范围为20%～100%，速度百分比根据变频器技术要求确定，期望调速为连续调节，而非分档方式。（1）调速流程设计调速流程如图2所示，从传感器采集信息后，将通过计算得到的总煤量输出到软件显示界面。传感器取得的数据进行计算后得出的输送带煤量与输送带满载时的煤量进行比较得出输送带负载百分比S%。图2调速流程图根据负载百分比与煤量变化趋势结合计算出需要调节的速度值v。如果v小于当前速度vd，程序会计算出2个速度之间的斜率值以达到平滑减速的效果。如果v大于当前速度vd，程序会把当前速度vd直接写入PLC寄存器内，瞬间提升带式输送机速度，满足采煤需求。在调速核心算法中把单位时间T内采集到得数据分为x1、x2、x3三组。（2）采样数据图3显示出了煤量采集趋势，趋势可划分为降低趋势、升高趋势和不变3种情况。图3煤量采集趋势示意图（3）调速模式根据采样数据，软件需设定调速范围（最小值根据变频器技术要求确定，最大值为输送带最大速度），调速范围为设定最小速度与输送带最大速度之间的范围。调速范围示意如图4所示。图4调速范围示意图①采煤量较小时如果当前煤流量小于目前输送带速度的运载量时，且当前煤量变化趋势为不变或降低时，软件会给PLC发出指令降低速度。当降速后的输送带运载量仍然比当前煤流量大时，软件会继续降低输送带速度，以达到缓慢降速的目的。采煤量较小时调速模式如图5所示，如果当前煤流量小于目前输送带速度的运载量时，且当前煤量变化趋势为升高时，软件会保持现有速度继续运行。图5采煤量较小时调速模式皮带秤皮带秤连通采样（采样频率，个数可设定）显示总煤量采样数据处理测点瞬时煤量调速计算减速/升速/不变超声波传感器超声波传感器经验数据控制带速1009080706050403040506070调速范围最大速度4.5m/s10调速最小速度（可设定）速度/m·s-1时间/s缓慢降速最大速度4.5m/s调速最小速度（可设定）速度/m·s-1时间/s159中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第38卷第01期Vol.38No.01煤流量检测及带式输送机自适应调速技术研究———马刚，等②采煤量提高时采煤量提高时调速模式如图6所示。当传感器取得的煤流量瞬间升高时，软件会立刻把输送带速度提升到相应的速度，以达到保证生产的目的。图6采煤量提高时调速模式3带式输送机自适应调速系统的节能分析在煤矿生产过程中，由于受到了地质等客观条件制约，矿井中的煤仓输往带式输送机的煤量不是恒定的数值，因此带式输送机的输送量会出现波动。在保证正常工作效率的前提下，为减少带式输送机的耗能，应当分析带式输送机运行的过程。本文分析了带式输送机智能调速过程，即在带式输送机运送煤流量发生变化时，按照煤流量适当调整输送带运速。实现设备的智能调速，能够解决不必要的能源浪费。（1）系统节能研究分析带式输送机节能主要应在减少不必要的电能消耗与提高设备工作效率2方面进行研究分析。带式输送机属于恒转矩负载，即在不同的速率之下转矩不变，可根据如下电磁转矩公式研究带式输送机消耗电能和速度的关系Te=PmΩ=Pm2πn60=9.55Pmn（1）由式（1）中可以得出，在相同负载下的转速与电机功率成正比关系。实际的工况条件下，矿井中输送机一般为逆煤流启动的方式，启动的流程依次为：主运输输送带→顺槽输送带→开采工作的相关设备。依上述的工作流程，在启动过程中的输送带大部分情况为空载运行而造成电能浪费。此外，在生产运行过程中煤流量不稳定也使得电能大量发生不必要的消耗。根据以上理论可知：输送带输送量与输送带速度是决定设备功率的重要因素。针对带式输送机的工作特性，本文分为满载状态下改变输送带速度、轻载状态下改变输送带速度进行分析研究。经在输送量相同时的功率、能量损耗随物料填充变化时状况的研究中表明：输送带能量损耗的多少与输送带速度快慢成正比、与物料填充率大小成反比。因此，为达到设备节能需求，在输送带输送量一定的情况下，可以通过降低输送带的速度以提高物料的填充率。然而，在实际生产中输送带速度、输送量、带宽、带强等因素的关系是相互制约的，所以不能一味地降低或提高某个因素。物料的单位质量长度将随着输送带速度的降低而增大，进而所需要的输送带张力也随着增加。为安全生产考虑，输送带张力在工矿安全系数允许的范围里，在此条件下应当尽量权衡输送带张力与带强、带宽的关系，从而实现节能的目标。若输送量在8200t/h下降为4000t/h时，在输送带速度变化时带式输送机的功率与能量损耗关系如表1所示。表1速度变化时带式输送机的功率与能量损耗关系由表1可知，在输送带输送量减少的情况下，如果其速度保持不变，能量消耗将增加；其速度降低将增加物料的填充率，进而能够减小能量的消耗。输送带速率v及输送带输送量Q之间的关系v=Q3.6qm（2）式中qm———输送带填充率100%时的物料单位长度质量。一般情况下，设计带式输送机是依照其最大的运载量而设计的。然而，在工程应用中，带式输送机的运载量一般不能够达到其设计的最大值。因此，当输送带输送量较小的情况下，依据实际状况降低输送带速度以与运输量相匹配很有必要。根据DIN22101设计标准和实际运行工况，可将能耗的运行功率划分为空载运行功率、水平载物功率、提升功率、附加功率等四类功率之和，即PT=空载消耗功率＋fLgnQm3.6cosδ+Qmv23.6+HgnQm3.6+附加功率（3）式中f———输送带摩擦系数，可通过动态摩擦系数测量仪测得；L———带式输送机的长度，m；δ———输送带的倾角，根据设计标准，当δ＜18°时，cosδ=1；物料填充率/%1101007645输送量/t·h－14000400040004000输送带速度/m·s－11.511.722.263.89物料单位长度质量/kg·m－1799.56725.37551.24315.11功率/W532098.7548701.3597809.2827005.1能量损耗率/W·（kg·m-1）－10.34120.35130.38010.5125输送带最大张力/N445782.3415531.2341543.2261704.9瞬间提速最大速度4.5m/s调速最小速度（可设定）速度/m·s-1时间/s160中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第38卷第01期Vol.38No.01煤流量检测及带式输送机自适应调速技术研究———马刚，等Qm———煤流量，t/h；v———输送带速度，m/s；H———提升高度。由式（3）可以看出，对于工况中确定的带式输送机，能耗仅与2个变量有关，即带式输送机的煤流量和输送带速度。通过优化输送带速度和煤流量的对应关系，从而得到带式输送机自适应节能控制方法。综合上述分析，带式输送机在满足输送带强度前提下，将其输送量与输送带速度最大程度相匹配，既可减少带式输送机的能量消耗，又能够有效地提升工作效率。在分析带式输送机实际工作原理和性能的基础上，将其运行速度划分为多个级别，综合实际工况条件下的多种工作参数（如输送带速度、煤流高度、输送机工作参数等），最终确定出带式输送机相对应的速度级别。（2）系统节能测试本系统技术方案在鲍店煤矿生产过程中应用，实现了带式输送机煤多提速，煤少减速的自动化、智能化的控制，确保了设备安全、高效、智能运行，较系统改进前的输送方案节能约25%，节约电费约60万元/a。鲍店煤矿应用验证表明，本文设计的方案既能保证系统内部的多条带式输送机安全运行，同时又能根据输送带输送量的实际变化情况调整实现其相对应的输送带速度，从而实现节能目标。4结语目前的煤炭行业面临着严峻的经济形势，煤矿企业实施节能降耗、减人增效已成为必然的发展趋势。鉴于此，本文在研究煤流量检测技术和带式输送机自适应调速技术的基础上，设计实现了带式输送机自适应调速系统。在实际应用过程中，所设计的系统能够根据带式输送机中运输煤流量的大小变化自动调节输送带速度，系统节能效果明显，适于煤矿生产需求。参考文献：［1］王中华.矿井煤流输送系统优化控制关键技术研究［D］.徐州：中国矿业大学,2014.［2］孙伟,王慧,杨海群.带式输送机变频调速节能控制系统研究［J］.工矿自动化,2013，39（4）:98-101.［3］曾飞,吴青,初秀民,等.散货码头带式输送机调速节能研究进展［J］.制造业自动化,2013，35（17）:1-4.［4］潘志勇.王庄煤矿井下带式输送机自适应控制系统的设计［J］.煤矿机械,2011，32（8）:154-156.［5］郭娜.煤矿井下带式输送机多电动机驱动功率平衡的研究［D］.西安：西安科技大学,2007.［6］赵峻岭.煤矿井下带式输送机的智能控制方法研究［D］.西安：西安科技大学,2010.作者简介：马刚（1971－），黑龙江鸡西人，工程硕士，副教授，主要从事煤矿机械方向的研究，电子信箱：854598326@qq.com.责任编辑：武伟民收稿日期：2016－12－07!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!黑龙江科技大学主管哈尔滨煤矿机械研究所主办欢迎订阅《煤矿机械》杂志（月刊）《煤矿机械》是中国科技核心期刊，被《剑桥科学文摘》、《文摘杂志》收录期刊，中国学术期刊综合评价数据库来源期刊，中国科学引文数据库来源期刊，中国期刊网全文收录期刊，中国学术期刊（光盘版）全文收录期刊，万方数据资源系统数字化期刊群全文入网期刊，黑龙江省优秀期刊。主要内容：煤矿的采煤、掘进、运输、支护、排水、通风、露天机械和选煤设备的研究、设计、制造、使用、维修等方面的技术论文，报道通用机械新技术、新工艺和新材料及成果等。主要栏目：专题综述、设计计算、试验研究、问题探讨、工艺装备、产品结构、革新改造、使用维修、计算机应用、故障诊断、国内外成果及动态。读者对象：主要是煤矿及通用机械相关行业的高等院校师生、科研院所及工矿企业工程技术人员和管理人员。《煤矿机械》为标准大16开，国内外公开发行，邮发代号：14-38，国际刊号：ISSN1003-0794，国内刊号：CN23-1280/TD。可到当地邮局或直接联系本刊发行部（0451-87008306）订阅。定价：每册15元，全年180元，可单订，也可整年订阅。通讯地址：哈尔滨市古香街30号煤矿机械杂志社邮编：150036电话：0451-55646587信箱：mkjx@chinajournal.net.cn户名：哈尔滨煤矿机械研究所开户行：哈尔滨银行科技支行帐号：884910169412011161中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net