[0001] 本发明属于电气自动控制领域，具体涉及一种煤矿胶带机运输系统的自动调速控制方法。

[0002] 近年来，由于国内煤炭行业发展快速，采用大功率（驱动电机的功率为几百甚至上千千瓦）胶带运系统输成为煤矿运输的主要方式，由于煤矿多采用每天2班、每年300天的生产模式，胶带机运输系统在整个煤矿电力消耗中所占比例非常高。同时，很多新建或扩建煤矿在建设前期对未来几年产能的提升提出了超前规划的方案，即新建系统能够满足未来若干年后整个矿井的产能提升所要求的负载能力，例如，某矿井的政府批准的产能为60万吨每年，但矿方在设计时要求设备的最大负荷能力为90万吨每年标准，甚至更高，矿方的出发点是如果在某一时期，市场需求较大且经济效益较好，可以开足马力尽可能多的生产，从而最大化的获取效益。由此引出一个问题：在煤矿先期运行的一段时间，煤矿的产能不能达到当前煤矿设计的最大产能，例如只能达到30到40万吨每年，更不能达到未来若干年后的产能，期间如果受到经济环境或政策影响，将有可能长期处于初期设计产能阶段。在此情况下，整个矿井的胶带机运输系统将长期处于空载或轻载运行，造成电能的浪费以及设备的损耗。

[0003] 如图1所示，现有的胶带机运输系统是通过多级独立的胶带运输机一级级首尾搭接，将工作面生产出来的煤运输至地面预先设计的存储地。具体方式为：工作面的采煤机将煤层剥离脱落，脱落的煤落入采煤机下部的刮板运输机中，通过刮板运输机将采下的煤托运至与刮板运输机搭接的1#胶带机机尾，通过安装在1#胶带机机尾的整流溜槽，使煤完全、稳定的落在1#胶带机带面上；1#胶带机通过安装在其头部的电机驱动胶带机驱动滚筒，使胶带机的带面水平或有一定倾角的位移，从而将附着在其上的煤运输至2#胶带机机尾的整流溜槽处，如果胶带机运输系统还包括由2级以上的胶带机，则2#胶带机在将煤托运至3#胶带机，以此类推，直至将煤运输至设计的存储地。

[0004] 目前，煤矿胶带机采用的控制方式主要有：1、通过胶带机保护系统控制设备的启停方式实现设备流程控制，当设备依次启动完毕之后，将一直按照最高转速和最大输出功率运行，此方式不对设备的运行状态进行任何检测及调整，完全没有节能措施；2、通过加装软启动装置控制设备的启停，只是实现了设备的软启动，降低了设备启动瞬间的启动电流，将其启动电流控制在额定电流的3倍以内，使设备能够平滑的启动，从而达到减小对电网的冲击，减小对机械设备的冲击的目的。但该启动方式也只是解决了在设备初始启动过程的控制，当设备正常启动并稳定运行后，还是按照最高转速和最大输出功率运行，此方式也不对设备的运行状态进行任何检测及调整，故也没有节能效果；3、通过加装PLC（可编程控制器）、变频器控制设备的启停。我们知道，PLC具有强大的逻辑控制功能，能根据预先设定好的程序稳定、可靠的执行，从而有效的解决了人工操作带来的繁琐、疲劳等问题；变频器具有优异的驱动性能，能够实现设备的软启动（即变频器用电缆与电机相连，变频器安照预先设定的参数，通过其内部的功率调节模块经过整定，并输出到相应的与电机连接的输出端），将设备的启动电流控制在2倍额定电流以内，实现运行速度的整定、输出功率、输出转矩的整定等。但是，PLC和变频器都只是偏重与解决某一方面的问题，其两者的配合只能够通过人工判断胶带机的来料情况，在上位计算机上实现设定一目标值，再通过PLC输出后传送至变频器执行。该方式对现场操作人员的经验及责任心有很高的要求。我们经常发现很多矿井在采用PLC和变频器驱动设备后，一直按照设定速度运行，几乎不做调整，故此种方式也仅仅只是实现很有限的节能。

[0030] 本发明的研究思路为：首先分析在工作过程中胶带机运输系统中什么因素的调整能够实现节能；然后分析如何调整才能够尽可能实现系统较大程度的节能。

[0031] 首先，发明人作出如下分析：

[0032] 根据《DTⅡ(A)型带式输送机设计手册》（冶金工业出版社出版。2003年8月第一版）的第三章节的记载：

[0033] 胶带机的驱动功率PA采用式1计算：

[0034] PA=FU×V/1000 （式1）

[0035] 其中，FU为圆周驱动力；V为胶带机的最大运行速度，m/s；

[0036] 式1可简化为：

[0037] PA=（k1LnV+k2LnQ+0.00273QH）k3 （式2）

[0038] 其中，k1LnV为胶带机的输送带及托辊转动部分运转功率，单位：kw；k1LnQ为物料水平运输功率，单位：kw；0.00273QH为物料垂直提升功率；Ln为胶带机的水平投影长度，单位：m；H为胶带机的卸料点与装料点的高度差；k1为空载运行功率系数，其与胶带机带宽度成正比，取0.0061-0.051；k2为物料水平运行功率系数，其与物料水平运行功率系数成正-5 -5比，取4.91×10 -10.89×10 ；k3为附加功率系数，其与胶带机带水平投影长度Ln成正比，取1.1-2.8；Q为胶带机的每小时运输能力，单位：t/h。（胶带机设计时已确定）[0039] 由式1推导可得：

[0040] V=PA1000/FU （式3）

[0041] 由式3可知，V越小，驱动功率PA越少。由此我们可知，只需调节胶带机的实际运行速度，使胶带机在满足实际运输要求的情况下以最低速度运行，这样就能将胶带机的驱动功率降到最小，从而实现最大化的节能效果。

[0042] 从胶带机的运行原理可知，胶带机在物料输送过程中是克服胶带机自身的重力、胶带机与滚筒之间的摩擦力以及将物料提升至固定高度所出的力。那么，当胶带机空载运行时，只需克服自身重力及滚筒摩擦力即可，即只需做很少的功就可维持自身运转，此时依据式3，则可将胶带机运行速度调节到最小的维持期自身运行所需的速度即可（该速度由胶带机厂家提供，一般取最大运行速度的20%）。随着物料的增加，摩擦力及重力相应增加，胶带机为克服摩擦力及重力所做的功也相应增加，则此时应根据物料的实际来料情况调整胶带机的运行速度来满足输送要求。物料的实际来料情况即为胶带机带面上的累计落料量。那么，通过计算胶带机带面上的累计落料量与胶带机的最大运输能力之间的比值关系即可确定应调整的速度。

[0043] 因胶带机的运输能力与其驱动功率成正比，则依据式3，胶带机的运输能力与其运行速度成正比。那么如果我们通过计算胶带机的实时累计落料量ML与其最大运输能力Q的比值N，即得到胶带机实际来料情况与其最大运输能力的接近程度，然后再按照比值N的大小来调节胶带机的运行速度，使得其功率在每个时间段按需供给，即能够达到节能目的。

[0044] 综上，发明人设计出本发明的煤矿胶带机运输系统的自动调速控制方法。具体步骤如下：

[0045] 步骤1、在胶带机运输系统中的1#胶带机上增加一个电子皮带秤；在2#胶带机上安装一个综合保护控制器，综合保护控制器用以对2#胶带机的累计运煤量进行分析，并根据分析结果控制本级的变频器输出，以控制2#胶带机的运行速度。

[0046] 步骤2、系统启动，电子皮带秤将采集的1#胶带机的来料瞬时量M1S实时传送至1#胶带机综合保护控制器；1#胶带机上的来料瞬时量M1S在固定时间t（g 因1#胶带机的速度恒定，且电子皮带秤的安装位置固定）后落在2#胶带机上。2#胶带机的综合保护控制器与电子皮带秤通讯读取M1S。

[0047] 为了便于说明，本发明对包含两级胶带机的胶带机运输系统进行控制，对于大于两级胶带机的系统，其控制方法的原理与本发明相同。

[0048] 我们知道，胶带机以速度V运行时，物料的单位流量F为：

[0049] F＝M1s(t)V(t) （式4）

[0050] 式中，M1S为胶带机单位长度上的物料载荷，单位：kg/m；V为胶带机的速度，单位：m/s。

[0051] 步骤3、利用式5可实时计算得到2#胶带机上的物料累计量为：

[0052] （式5）

[0053] 式中，M2L为2#胶带机累计落料量，单位：t/h；t0为2#胶带机的初始来料时间点，t为采样时间点；V为2#胶带机的实测运行速度，单位：m/s；M1S为2#胶带机上单位长度物料载荷，单位：kg/m；

[0054] 步骤4、利用式6实时计算2#胶带机的调速阈值N：

[0055] N=M2L/Q2 （式6）

[0056] 式中，N表示调速阈值，M2L为2#胶带机落料累计量，单位：t/h；Q2为2#胶带机的最大输送能力，单位：t/h；N≤1。

[0057] 综上，因变频电机尤其是大功率变频电机在低速（低于最大速度的10%）下运行，电机磁通增加，引起电机铁芯过度饱和，励磁电流急剧增加，导致电机绕组过分发热，较易造成电机烧毁；加之驱动胶带机所需做的功，保持胶带运输机最低速度运行，为随时来料做准备，我们通过胶带机设计手册册及胶带机厂家所提供参数（如胶带机的最大运输能力、最高运行速度、最低运行速度），确定其合适的运行速度。

[0058] 考虑到煤矿生产的特点：工作面生产时根据实际的工况，采煤机需频繁调转机头，实现往复采煤。但在调转机头过程中的空档中，实际是没有煤被输送至胶带运输机上的，且采煤机的调转机头动作时间不是固定的，其根据具体现场情况有长有短；且在采煤机检修时，为保证设备检修正常后能够立即投入生产，胶带运输机需提前启动运行）；以及大型变频设备的电气特性（其调整动作比较复杂且周期较长，例如从1档到2档，所需爬升时间将近1分钟）；结合以上特点，胶带运输机的速度调整不需实时整定，只需划定相应的调速区间即可满足现场生产，同时又能实现显著节能目标。

[0059] 综上，本发明给出如下整定步骤：

[0060] 步骤5、利用式7计算2#胶带机的运行速度百分比可调范围△V：

[0061] △V=V2-V1 （式7）

[0062] 其中，V1表示胶带机最低运行速度占最大运行速度的百分比，其值由胶带机厂家给定，本发明中参考值为20%；V2表示胶带机的最大运行速度，本发明中参考值为100%，因此运行速度百分比可调范围△V=0.8。

[0063] 步骤6、利用式8计算2#胶带机的整定后的运行速度百分比VS，2#胶带机的综合保护控制器实时根据VS控制2#胶带机的变频器的输出，使2#胶带机以整定后的运行速度运行。

[0064] VS=N△V+V1 （式8）

[0065] 式中，V1表示胶带机最低运行速度占最大运行速度的百分比，N表示调速阈值，△V表示胶带机的速度百分比可调范围；VS表示整定后的运行速度百分比。

[0066] 为了证明本发明的可行性和有效性，发明人在陕西省府谷县郭家湾煤矿现场现场实验进行验证。

[0067] 实验验证

[0068] 一、设备安装

[0069] 1、在顺槽胶带机（即1#胶带机）离机头20米处安装一电子皮带秤。电子皮带秤型号：ICS-17J，精度：0.2%，北京斯凯尔工业科技有限公司生产。

[0070] 顺槽胶带机参数：

[0071]名称 功率 驱动方式 长度 速度 带宽 运量
顺槽胶带机 350KW 直驱 1000米 2.4m/s 1.2m 1500t/h

[0072] 2、在大巷胶带机头（即2#胶带机）安装一套矿用胶带机综合保护控制器，利用原有信号及保护电缆；将电子皮带秤的通讯信号通过转换器转换位CAN通讯形式接入，安装于大巷机尾的矿用本质安全性信号接入箱，胶带机综合保护控制器通过原有的信号及保护电缆与机尾的矿用本质安全性信号接入箱联接，将电子皮带秤的数据读入2#胶带机综合保护控制器的控制主板。

[0073] 本实验中采用KHP系列的矿用带式输送机综合保护控制器。如图3所示，该控制器包括1）10.1吋显示屏1，用于实时显示胶带机的运行情况及运行状态、故障信息等，2）面板2：选择控制器集控/就地方式转换；启动/停止信号给定，3）箱体3，4）沿线1电缆联接插头4，5）沿线2电缆联接插头5，6）底座6。如图4所示，该控制器的主板内部集成一主控制单元（CPU），CPU用来处理外部各种信号的交换以及实时与电子皮带秤、显示屏、第三方控制器进行数据交互，实现对系统的信号采集、处理和控制。该主板集成各种信号输入输出端口（包含数字开关量输入接口、数字开关量输出接口、4-20ma电流模拟量输入接口、4-20ma电流或0-10V模拟量输出接口、PT100热电阻输入接口），通讯接口（包含CAN、以太网、485等通用的工业通讯接口）。

[0074] 大巷胶带机参数：

[0075]名称 功率 驱动方式 长度 速度 带宽 运量
大巷胶带机 350KW 变频 2000米 2.4m/s 1.2m 1500t/h

[0076] 通过读取不同工况下的变频器上输出功率显示及通过实际检测（检测变频器输出端电压、电流），通过安装电能表（型号：DTSD/DSSD866，三相电子式电能表，浙江华邦仪表生产）统计系统实际耗电量。由于仅用一台胶带机（即大巷胶带机）做测试，故通过读取电子皮带秤上的累计煤量来对系统的相应进行验证。

[0077] 二、实验方法及结论

[0078] 通过测量大巷胶带机（2#胶带机）空载时的电气参数、测量给定量的来料，验证胶带机综合保护控制器输出的实际调节值，通过对各档次的测量参数进行汇总，与传统控制方式进行比对，验证应用了本发明的控制方法后系统的节能效果。

[0079] 1、开启顺槽胶带机（1#胶带机），使其以最高速度运行；开启大巷胶带机（2#胶带机）、电子皮带秤。由于工作面上没有给煤，大巷胶带机的综合保护控制器从顺槽胶带机电子皮带秤处采集的瞬时落料量及累加落料量数据都为零，故直接将系统设定的最低运行速度百分比（即20%）输出给2#胶带机的变频器，控制2#胶带机以最低运行速度运行，经过半小时运行，统计数据如表1所示：

[0080] 表1大巷胶带机（2#胶带机）空载时以最低运行速度20%速度时运行参数测量[0081]

[0082] 需要说明的是，表中的运行速度百分比是指运行速度占胶带机最大运行速度（厂家给定）的百分比。

[0083] 2、为了与空载时2#胶带机以最高运行速度的20%的速度运行时的耗电量做对比，工作人员手动将大巷胶带机（2#胶带机）运行速度提升至空载100%速度（即最高运行速度），统计数据如表2所示。

[0084] 表2大巷胶带机（2#胶带机）空载100%速度运行参数测量

[0085]

[0086] 3、开启顺槽胶带机（1#胶带机），工作面给煤，观测电子皮带秤上显示的累计煤量达到大巷胶带机的最大运输能力的1/6即250t/h时，停止顺槽胶带机，观测此时的大巷胶带机运行参数，统计数据如表3所示。

[0087] 表3大巷胶带机（2#胶带机）250t/h34%速度运行参数测量

[0088]

[0089] 4、为了与表3的运行状态时的耗电量做对比，工作人员手动将大巷胶带机（2#胶带机）250t/h运输能力运行速度提升至100%速度，统计数据如表4。

[0090] 表4大巷胶带机（2#胶带机）250t/h100%速度运行参数测量

[0091]

[0092] 通过观测，当开启顺槽胶带机（1#胶带机），给煤量达到大巷胶带机（2#胶带机）的运能的1/6即250t/h左右时，大巷胶带机（2#胶带机）综合保护控制器将大巷胶带机的变频器的速度自动设定到34%速度运行。

[0093] 由式6的调速闕值N=M2L/Q2计算可知，N=250t/h÷1500t/h=0.167。

[0094] 由式8的VS=N△V+SV1计算可知，整定后速度VS=0.167×0.8+0.2=0.3336。

[0095] 其中，N为调速闕值；△V为速度可调范围，取0.8；V1为最低运行速度，厂家给定0.2。

[0096] 与实际检测运行速度数据即最高运行速度的34%接近。

[0097] 5、当大巷胶带机（2#胶带机）将上次实验所带煤完全运完后，重新开启顺槽胶带机（1#胶带机），工作面给煤，观测电子皮带秤上的显示累计煤量，当累计煤量达到大巷胶带机的最大运输能力的5/6即1250t/h左右时，停止顺槽胶带机，观测此时的大巷胶带机运行参数，统计数据如表5所示。

[0098] 表5大巷胶带机（2#胶带机）1250t/h87%速度运行参数测量

[0099]名称 运行时间 运行速度 平均电流 电机电压 平均功率 耗电量
大巷胶带机 10min 87% 287.7A 541V 262.8KW 44.2KWh

[0100] 6、为了与表5的运行状态时的耗电量做对比，工作人员手动将大巷胶带机（2#胶带机）1250t/h运输能力运行速度提升至100%速度，统计数据如表6所示。

[0101] 表6大巷胶带机（2#胶带机）1250t/h100%速度运行参数测量

[0102]名称 运行时间 运行速度 平均电流 电机电压 平均功率 耗电量
大巷胶带机 10min 100% 301.6A 658V 287KW 48.9KWh

[0103] 通过观测，当开启顺槽胶带机（1#胶带机），给煤量达到大巷胶带机（2#胶带机）的运能的5/6即1250t/h时，大巷胶带机（2#胶带机）综合保护控制器将大巷胶带机（2#胶带机）的速度自动设定到2#胶带机最高运行速度的87%速度运行。

[0104] 由式6的调速阈值N=M2L/Q2计算可知N=1250t/h÷1500t/h=0.833；

[0105] 由式8的Vs=N△V+V1计算可知，整定后的速度Vs=0.833×0.8+0.2=0.867；

[0106] 其中，N为调速闕值△V为速度可调范围，取0.8；V1为最低运行速度，厂家给定0.2。

[0107] 与实际检测运行速度数据相符。

[0108] 由表1、表2数据统计结果计算得到：

[0109] 当1#胶带机空载运行时，经2#胶带机综合保护控制器调节，2#胶带机以20%速度运行30min，耗能为21.5KWh，换算成1小时耗电量为43KWh。

[0110] 以100%速度运行30min，耗能为39.8KWh，换算成1小时耗电量为79.6KWh[0111] 79.6KWh-43KWh=36.6KWh 36.6KWh÷79.6KWh=0.46

[0112] 则在空载运行时每小时可节电36.6KWh，节电效果为46%。

[0113] 由表3、表4数据统计结果计算得到：

[0114] 当1#胶带机空载运行时，经2#胶带机综合保护控制器调节，2#胶带机以34%速度运行30min，耗能为44.7KWh，换算成1小时耗电量为89.4KWh。

[0115] 以满速100%速度运行30min，耗能为77.8KWh，换算成1小时耗电量为155.6KWh[0116] 155.6KWh-89.4KWh=66.2KWh 66.2KWh÷155.6KWh=0.425[0117] 则在1#胶带机空载运行时每小时可节电66.2KWh，节电效果为42.5%[0118] 由表5、表6数据统计结果计算得到：

[0119] 当1#胶带机空载运行时，经2#胶带机综合保护控制器调节，2#胶带机以87%速度运行10min，耗能为44.2KWh，换算成1小时耗电量为265.2KWh。

[0120] 以满速100%速度运行10min，耗能为48.9KWh，换算成1小时耗电量为293.4KWh[0121] 293.4KWh-265.2KWh=28.2KWh 28.2KWh÷265.2KWh=0.106[0122] 则在1#胶带机空载运行时每小时可节电28.2KWh，节电效果为10.6%。

[0123] 综上，当1#胶带机空载运行时，采用本发明对2#胶带机的速度进行实时调节，具有明显的节电效果，随着负载增大，其节电比例降低。由此可见，本发明的方法非常适合当前煤矿的减产、增效生产的特性，在满足煤矿正常运行的同时实现最大限度的节能。