带式输送机变频调速节能控制系统研究.pdf

第 3 9卷 第 4期 2 O 1 3年 4月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo1 ． 3 9 NO ． 4 Ap t ． 2 0 1 3 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 4 0 0 9 8 0 4 DO I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 2 7 孙伟 ， 王慧 ， 杨海群． 带式输送机变频调速节能控制系统研究E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 3 ， 3 9 4 9 8 1 0 1 带式输送机变频调速节能控制系统研究 孙伟 ， 王 慧 ， 杨 海群 中国矿业大学 信 电学 院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对某矿 带 式输送 机 电 能浪 费严 重的 问题 ， 设计 了带式 输送 机 变频调 速 节能控 制 系统 。该 系统应 用 B P神经网络建立带式输送机煤流量、 输送带速度和电能消耗 的节能模型； 基于遗传算法和神 经网络对模 型参数进行优化 ， 得到 了煤流量和输送带速度的最优匹配关系； 利用模糊控制算法实现 了带式输送机 变频调 速的节能运行。实际应用表明， 该系统可根据煤流量大小调节输送带速度， 节能效果显著。 关 键词 带式输 送机 ；变频 调速 ；煤 流量 ；速度 调 节 ； B P神 经 网络 ；遗传 算 法 ；节能 中图分 类号 TD 6 3 4 文献标 志 码 B 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 4 0 1 l 3 4 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 3 0 4 0 1 ． 1 3 4 5 ． 0 2 7 ． h t ml Re s e a r c h o f e ne r g y s a v i ng c o n t r o l s ys t e m s p e e d r e g ul a t i o n f o r b e l t wi t h f r e q u e n c y c o nv e r s i o n C0n veV0r SU N W e i ， W ANG H u i ， YANG Ha i qu n Sc h oo l o f I nf o r ma t i on a n d El e c t r i c a l Engi ne e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y o f M i n i ng a nd Te c hn ol o g y Xuz ho u 2 2 1 0 08，Ch i na Abs t r a c t I n v i e w o f e l e c t r i c a l e ne r g y wa s t e p r ob l e m o f b e l t c o nv e y or i n a Co a l M i ne，a n e l e c t r i c a l e n e r gy s a v i n g c o nt r o l s ys t e m wi t h f r e q ue nc y c o nv e r s i on s p e e d r e g ul a t i on f o r be l t c o nv e y o r wa s d e s i gn e d． Th e s ys t e m us e s BP ne ur a l n e t wo r k t o bu i l d e ne r g y s a v i n g mo de l o f c o a l f l o w ， be l t s pe e d a nd po we r c on s u m p t i o n of be l t c o nv e y or ，us e s g e n e t i c a l go r i t h m a n d ne u r a l ne t wo r k t o op t i mi z e t he mod e l pa r a m e t e r s t o ge t t he be s t m a t c h i ng r e l a t i on s h i p be t we e n t he c oa l f l ow a n d be l t s pe e d，us e s f uz z y c o nt r o l a l g o r i t hm t o r e a l i z e e ne r gy s a v i ng op e r a t i o n o f b e l t c o nv e y o r wi t h f r e q ue nc y c o n ve r s i o n s pe e d r e g ul a t i on．The p r a c t i c a l a p pl i c a t i o n s h ows t h a t t he s y s t e m c a n r e gul a t e s p e e d o f be l t c o nv e y or a c c o r di n g t o c o a l f l o w ，a nd e n e r gy s a v i ng e f f e c t i s no t a b l e ． Ke y wo r d s be l t c on ve yo r； f r e qu e n c y c on v e r s i o n s pe e d r e gu l a t i o n； c o a l f l o w ； s p e e d r e gul a t i o n； BP n e u r a l n e t wo r k；g e n e t i c a l g o r i t h m ；e n e r g y s a v i n g 0 引言 本文以兖矿集 团有限公司杨村煤矿东翼输送带 运输 系统 的 节能 改造 项 目为背 景进 行节 能 分析 。 杨村煤矿东大巷二部带式输送机采用 2台电动 机驱动。整套带式输送机控制系统工作是 由变频器 拖动 2台异步 电动机并联 运行。系统 结构如 图 1 所示 。 东大巷三部输送 带 煤流方 向 保护系统 I 图 1 东大巷二部带式输送机控制 系统 结构 系统运行时， 通过 电气控制柜启 动变频器带动 收稿 日期 2 O 1 3 - 0 卜1 5 。 作者简介 孙伟 1 9 6 3 ～ ， 男 ， 江苏徐州人 ， 教授 ， 研究方 向为复杂过程控制 ， E ma i l 1 5 8 3 5 4 8 2 0 q q ． C O 1T I 。 2 0 1 3年 第 4期 孙伟 等 带式输 送机 变频 调速 节 能控 制 系统研 究 9 9 输送带低速启动 ， 变频器达到一定频率后进人工频 运行 。由于 煤源 的不 确 定 性 ， 输 送 带 经 常 处 于 空 载 状态 ， 或者是 “ 大马拉小车” 状态 ， 造成电动机 的损 耗 严 重及 电 能严 重 的 浪 费 。基 于 以 上 问题 ， 提 出对 东翼 运输 系统 带 式 输 送 机 控 制 系统 进 行 改 造 的 方 案， 设计了带式输送机变频调速电气节能控制系统 ， 对带 式输 送机 负 载进 行 智 能 跟 踪 及 控 制 的研 究 ， 以 寻求最佳 的运输策略， 来调整东大巷二部输送带速 度 ， 实现 带式 输送 机运 输 系统 的节能 减耗 。 1系统 设计 基于东大巷二部带式输送机现在所存在的效率 低下 以及 电能浪 费 的情 况进 行 改 造 ， 改 进 后 的 节 能 控 制系统 在 东大 巷三 部带 式输 送机 尾增 加 1台 电子 输送带秤 ， 设定在东大巷二部输送带尾部的分站Ⅲ 】 ] 采集输送带秤 的煤流量， 然后通过 DP传输给主站 ， 通过 采集 配 电柜 的 电流值来 得 到 电动机 的功耗 。这 样根据东大巷三部输送带实际煤量的变化 ， 动态 调 整东大巷二部输送带变频器的功率输 出， 调节输送 带转速 ， 达到高精度输送带 自动跟踪变速 ， 进一步加 入遗传算法和 B P神经网络来快 速、 合理地控制 电 动 机转 速 。系统 结构 如 图 2所 示 。 了煤流量为 Q时 ， 使得电动机功耗为最小值 P ⋯ 时 的速度值 。以同样的测试方式可以得到其它煤 流 量为 Q ， Q。 ⋯时， 使电动机功耗为最小 P ， P 。 对应 的 速度 。 ， 。 ⋯ 。根 据 现 场 试 验 得 到 了 6 O组 实 验 数 据 。 2 ． 2构建 节能模 型 为了不影 响煤矿的正常生产， 所以煤流量不作 控制 ， 在固定时间段根据检测煤 流量 的平均值设定 变频器频率 ， 从而固定输送带速度 ， 同时根据检测电 流值计算能耗。 利用 Ma t l a b中相关的工具来构建煤流量 、 输送 带 速度 、 功耗 这三 者 的节能 模型 ， 如 图 3 所 示 。根据 工 程应 用 的特点 ， 构 造 了带 式输 送 机 变 频 调 速节 能 控制系统的 3层 B P神经 网络结构 输入层节点数 为 2 ， 即煤 流量 和输 送带 速度 ， 隐含 层节 点数 为 3 ， 输 出层节点数为 1 。隐含层 的激活函数和输 出层的激 活 函数 分别 选择 S型激 活 函数和 线性激 活 函数 。 东大巷三部输送带 新增胶带秤 输入层 隐含层 输出层 毒 二 部 输 送 带 ， 一 、 、 ＼ 孽。 ⋯ 变频器 图 2 带式输送机变 频调 速节能控制系统结构 根据东大巷三部输送带电动机电流的实时数值 和 胶带 秤监 测 的输送 带上 的煤 流量 控制 东大 巷二 部 输送 带 的变 频器 频率 ， 以 调 节东 大 巷 二 部 输 送 带 速 度 ， 实现输 送 带 的分段 节能 运行 。 2 系统 实现 2 ． 1 节 能 测 试 在 煤 流量 变 化 不 大 的 时间 段 内 ， 根 据检 测 煤 流 量 的平均 值 Q， 调 节 变 频 器频 率 改 变 东 大 巷 二部 带 式输送机的电动机 电源频率 ， 使得东大巷二部输送 带 速 度遍 历最 小 至最 大 范 围 ， 同 时记 录下对 应 的东大巷二部输送带 电动机的功耗 。这样便得到 3节 能 模 型 结 构 图 3中， r为输入维数 ； q为样本个数； S 为隐含 层 节点 数 为 输 出层 节 点数 ； F ， F 分 别 为 隐含层 与 输 出层 的激励 函数 ； w ， W。 分 别 为 隐含 层 与输 出 层的权值矩阵 ； B ， B 。分别为隐含层与输出层 的偏 差 矩 阵 ； A ， A 。 分别 为 隐含层 与输 出层 的输 出 。 模 型构 建步 骤如 下 1 从存 储样 本数 据 的 E x c e l 表 格 E S D Dd a t a ． x l s中读 出训练 样本 数据 ， 并进 行归 一化 处理 。 Tr a i n I np u tDa t a x l s r e a d ES DDd a t a ． x l g， s h e e t l ， a 2 d 3 1 ； Tr a in Ou t p u tDa t a x l s r e a d ES DDd a t a ． x l g， s h e e t l ， e 2 e 31 ； P Tr a i n I np u tDa t g； T Tr a i n Ou t p u t Da t ff； [ p n ， mi n p ， ma x p ， t n ， mi n t ， ma x t ] 一p r e mn mx P， T ； 其 中 ， Tr a i n I n p u t Da t a为 3 O组 2输 入样 本 数 据 ， Tr a i n Ou t p u t D a t a 为 3 O组 1 输出样本数据 。 2 用 n e wff函数建立一个前向 B P网络 n e t n e t n e wf f min ma x p n ， [ 5 ， 1 ] ， { t a n s i g， p u r e l i ff } ， t r a i n l ； [ 5 ， 1 ] 表示 隐含层节点 数为 5 ， 输 出层 节点数 为 1 。 设置对权值训 练的最大循 环次数及最大训练 时 间 1 O O 工矿 自动 化 2 0 1 3年 第 3 9卷 ne t ． t r a i n Pa r a n ] ． e p o c hs 一 5 0 00； ne t ． t r a i n Pa r a m ． t i m e 一 3 0 0； 设 置 网 络 的 训 练 误 差 性 能 指 标 和 最 小 执 行 梯度 n e t ． t r a i n Pa r a m ． g oa l 一 1 e 9； n e t ． t r a i n Pa r a m ． mi n g r a d一 1 e 1 0； 使 用 t r a i n函 数 以 P 为 输 入 、 丁为 输 出 对 网络 n e t 进行 训 练 E n e , ， t r ] 一t r a i n n e t ， p n ， t n ； 当最 大循环 次 数 、 最 大 训练 时 间 、 训 练误 差性 能 指标 及 最小 执行 梯 度 中任 一 参 数 达 到设 定 值 时 ， 训 练 结束 。 这 样 建 立 了输 送 带 速 度 、 煤 流 量 和 能耗 的非 线 性模 型 ， 通 过测 试 的组数 据 作 为参考 ， 训 练误 差 曲线 如 图 4所示 。从 图 4可 看 出 ， 随 着 实验 数 据 量 的增 加 ， 误 差渐 渐趋 向于定 值 0 ， 证 明 了模 型 的稳 定性 。 图 4训 练 误 差 曲线 2 ． 3模 型 的参数 优 化 节 能模 型公 式 为 P f x1 ， S C 2 式 中 、 为优化 变 量 ， 分 别 表 示 带 式输 送 机 的煤 流 量 、 输 送 带速 度 ；f为 煤 流 量 、 输 送 带速 度 和 功 耗 的神经 网络 模 型 。 现 在 假设 l 为 6 0 0 t ／ h ， 1 ． 5 m／ s x 2 2 m／ s 可转化 为 在 区间[ 1 ． 5 ， 2 ] 中搜 索能使 P取最 小值 点 的问题 。那么 [ 1 ． 5 ，2 ]中 的点 。 就 是 个 体 ，函数 值 厂 ， ．2 7 恰 好 就 可 以 作 为 的 适 应 度 ， 区 间 [ 1 ． 5 ， 2 ] 就是一个 解 空间 。这样 ，只要能给出个 体 z 。 的适 当染色体编码 ，该问题就可 以用遗传算 法来 解决 。 利用 Ma t l a b中遗传算法 的工具箱进行优化 ] ， 种群规模 为 5 O ， 采用联赛选择 方法进行选择 ， 交叉 概率为 0 ． 7 ， 变异概率为 0 ． 0 1 ， 最大迭代次数 为 8 O 。 遗传优化结果如图 5所示。 由图 5可得 ， 当煤流量 ．2 7 6 0 0 t ／ h时， 即功耗 P最 小值 为 1 5 8 ． 2时 ， 最 优 的速 度为 一1 ． 9 5 m／ s。 因此 ， 也 可 以得 到 其 他煤 流量 使 电动 机 功 耗 最 小 所 对 应 的最 优 的输送 带速 度 。 图 5遗 传 优 化 结 果 在 实 际 的 运 行 过 程 中 ， 煤 流 量 不 可 能 稳 定 在 一 个 固定 的值 ， 当煤 流 量 变 化 在 5 0 t ／ h范 围 内时 ， 输送 带 速度 变化 相 对 较 小 ， 对 电动 机 的 功耗 影 响较 小 ， 所 以 ， 本 文把 煤 流 量 划 分 为 区 间段 ， 每个 区 间段 的跨 度 为 5 0 ， 煤 流 量 的 变 化 范 围 为 2 0 0 ～ 6 0 0 t ／ h ， 利 用上 述方 法 ， 通过 遗传 算 法 得 到 最 优 的 输送 带 速 度 。得 到 的煤 流量 与输送 带 速 度 的最 优 匹 配 如 图 6 所 示 2． 0 1 8 1 ． 6 1 ． 4 1 ． 2 g 1 ． 0 0 ． 8 0 ．6 0 ．4 0． 2 O／ t h - 1 图 6煤 流 量 与 速 度 关 系 实 际应用 中 ， 随着 输送 带 速度 的增 加 ， 对 带式 输 送机 的功 耗会 有 所 影 响 ， 使 得 电动 机 功 耗 变 大 。从 图 6可 看 出 ， 随 着煤 流量 的增 加 ， 输 送带 速 度 的增 加 可保 证输 送 带不 堆煤 ， 输送 带 的速 度增 量变 小 ， 从 而 降低 功耗 。这是 符合 实 际情况 的 。 2 ． 4 模 糊 控制 器 的设计 控 制 的 目标 是 根 据 煤 流量 调 节 输 送带 速 度 ， 由 于 煤流 量是 不 均匀 的 ， 并 且 检 测 的是 其 前 一 条输 送 带 的煤 流量 ， 有 一定 的时 间滞 后 ， 输送 带 速度究 竟 该 设 置 为多少 这 是 一 个模 糊 的概 念 。因 此 ， 采 用模 糊 控 制 来实 现 负载 的智 能跟踪 控 制 。带式 输送 机变 频 调速 节 能控 制系 统原 理如 图 7所示 。 选取 运行 速度 偏 差 E、 运 行 速度 偏 差 变化 率 作 为模糊 控 制器 的 输 入 量 ， 控 制 器 的输 出量 是 变 频 器 的控 制 电压U， 构 成 了一 个 二输 入 一 输 出 的带 式 {i i 1 煳 2 0 1 3年 第 4期 孙 伟等 带式输 送机 变频 调 速 节能控 制 系统研 究 1 0 1 图 7带 式 输 送 机 变 频 调 速 节 能控 制 系 统 原 理 输 送机 电气节 能运 行模 糊控 制器 I 4 ] 。 控制电压的取值为正 ， 考虑到其精度要求划分 其模糊 变量等级为 { 极小 ， 相对小 ， 小 ， 中， 大 ， 相对 大 ， 极 大 ， 即{ VS ， R S ， S ， M， B， R B， VB} 。 模 糊 控 制 规则 的建 立 采 用 选 取 控制 量 变 化 的 原 则是 当误 差 大或 较 大 时 ， 选 择 控 制 量 以尽 快 消 除 误 差为 主 ； 而 当误差 小或 较小 时 ， 选择 控制 量要 注 意 防止超 调 。 以系统 的稳 定 性 为 主 要 出 发 点 ， 根 据 带 式输送机 自动节能运行 的要求 ， 若带式输送机的运 量增加 ， 则其带速相应增加 ， 控制变频器的控制电压 也 随之 增 加 ； 反 之相 反 。总结 这些 模糊 控 制规 则 ， 得 出 4 7条模糊控制规则语句。规则采用 的形式 I f E PB a n d Ec PB t he n U PB 仿 真结 果 如 图 8所 示 。 图 8系统 仿 真 结果 通 过 仿 真结 果 可 以看 出 ， 系统 在 4 S达 到 给定 的速度 ， 模糊 控 制量 的变 化范 围小 ， 控 制动 作柔 和 。 3 节 能分 析 利 用 变 频器 来 驱 动 带 式输 送 机 ， 已达 到 了 一定 的节能 结果 ， 采用 变 频器 的交 流变 频原 理 ， 以动 态 响 应 、 转矩 的控制 为 目标 ， 提 高 了电 动 机 的动 态 性 能 。 带 式输 送机 变频 调 速节 能控 制 系统通 过采 集东 大巷 二 部输送 带 的煤 流 量 ， 利 用 神 经 网 络 和模 糊 控 制 理 论 ， 实现 了对该运输系统的带速控制， 实现了东大巷 二部 带 式输送 机 的 自动节 能运 行 ， 同时 ， 也 使得 节能 设备系统高效节能运作。杨村煤矿工作制度是三班 制 ， 抽取某 日节能数据如表 1所示 。 表 1 节 能数据 由表 1可看 出 ， 经 过 改 造 后 的 带式 输 送 机 变 频 调 速节 能控 制 系统可 根据 实 际 的运 量控 制输 送带 速 度 。当天节 约 电量为 △ W f k w ． h 一 2 8 ． 6 0 4 - 6 7 ． 2 0 4- 4 9 ． 9 0 1 4 5 ． 7 0 针对杨村煤矿输送带一 直额定速度运行 的情 况 ， 根据 煤 流量 的变 化调 节带 速 ， 即在不 满载 的情 况 下 ， 带速都会相对应地合理降低 ， 因此 ， 降低 了带式 输 送机 的机 械损 耗 以及 电能 浪费 。 4 结 语 带 式输 送机 变频 调速 节能 控制 系统 利用测 试得 到的数据， 建立输送带速度、 煤流量和电能消耗三者 之间的神经 网络节能模型； 在节能模 型的基础上应 用遗传算法进行 电动机节能优化 ， 得 到了煤流量和 速度最优匹配 ； 用模糊控制理论设计 了带式输送机 模糊控制器 ， 完成相应 的控制任务。实际应用表明， 带 式输 送机 变频 调速 节 能控制 系统 可根 据煤 流量 调 整 输送 带速 度 ， 达到 了节 能减 排 的效 果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 邵杰 ， 初学 导． 基 于 P L C的 模 糊 控 制 变 频 调 速 系 统 [ J ] ． 电气时代 ， 2 0 0 5 ， 1 0 1 2 - 3 ． [ 2 ] 陈祥 光 ， 裴旭东． 人工神经 网络技术及应 用[ M] ． 北京 中 国 电力 出 版 社 ， 2 0 0 3 6 0 7 5 ． [ 3 ] 胡伍 生． 神经 网络理 论及 其工程 应用 [ M] ． 北京 测 绘 出 版 社 ， 2 0 0 6 7 6 9 8 ． [ 4 ] 欧阳玉梅 ， 马志强 ， 方 若森． 基 于 MA TL AB的遗传 神 经 网络 的设 计 与 实 现 [ J ] ． 信 息 技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 2 6 73 80 ． [ 5 ] L I U Z h u ． Ap p l i c a t i o n o f f r e q u e n c y c o n v e r t e r i n t i t l i n g b r a k i n g c o n t r o l s y s t e m o f c o n v e r t e r [ J ] ． Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Au t o ma t i o n， 2 0 1 0， 3 4 5 6 5 6 8 ．