皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制方法研究

黃琦

（海南八所港務(wù)有限責(zé)任公司，東方 572600）

引言

現(xiàn)階段大部分港口全部采用皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行裝船作業(yè)，主要裝卸貨種為鐵礦石，基本裝卸流程為：火車(chē)—火車(chē)棧橋—坑道堆場(chǎng)—坑道斗口—坑道皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)—斜橋皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)—高架皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)—裝船機(jī)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)—船舶[1,2]。在裝卸作業(yè)的過(guò)程中，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口是十分重要的，它是貨物進(jìn)入皮帶的入口，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起到十分重要的作用。整個(gè)系統(tǒng)主要由三個(gè)起點(diǎn)和五個(gè)終點(diǎn)組成，通過(guò)不同點(diǎn)之間的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)不同方式的交叉?zhèn)魉?。結(jié)合上述分析，相關(guān)專家重點(diǎn)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口進(jìn)行改進(jìn)以及研究，雖然取得了十分顯著的研究成果，但是仍然無(wú)法滿足現(xiàn)階段的發(fā)展需求，為此本文提出皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制方法，通過(guò)具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全面驗(yàn)證了所提方法的綜合有效性。

1 方法

1.1 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃的形成

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行全部選用計(jì)算式進(jìn)行控制，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，設(shè)定運(yùn)輸作業(yè)的運(yùn)輸單位為JOB，運(yùn)輸系統(tǒng)中的各個(gè)JOB分別要進(jìn)行啟動(dòng)、切換等相關(guān)操作。

為了確保皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中各個(gè)終端設(shè)備的加料工作順利完成，在具體的過(guò)程中，需要設(shè)定JOB的數(shù)量，同時(shí)設(shè)定對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)以及終點(diǎn)槽[3]，以方便完成運(yùn)輸作業(yè)總量的統(tǒng)計(jì)以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)在工作的過(guò)程中，確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心單位即為JOB。各個(gè)計(jì)算中的JOB能夠處于多種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)階段，即為：

1）預(yù)定中；

2）準(zhǔn)備中；

3）執(zhí)行中；

4）順停中。

隨著整個(gè)運(yùn)輸計(jì)算的執(zhí)行，需要對(duì)JOB進(jìn)行相應(yīng)的處理，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)作業(yè)計(jì)劃的完成主要依賴于OPS，通過(guò)OPS上的相關(guān)畫(huà)面完成對(duì)應(yīng)的操作作業(yè)計(jì)算；也可以通過(guò)正在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的最后一個(gè)預(yù)備執(zhí)行計(jì)劃自動(dòng)完成[4]。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中任意起點(diǎn)作業(yè)的形成，全部依賴于最優(yōu)先目標(biāo)槽的形成，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的全部參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃的形成主要操作步驟如下所示：

1）相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)

針對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中運(yùn)輸作業(yè)計(jì)劃中全部的起點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果系統(tǒng)中起點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)是正常的，則繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)；假設(shè)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在異常，則說(shuō)明運(yùn)輸計(jì)劃無(wú)法完成，需要啟動(dòng)延時(shí)處理，直至系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)設(shè)備恢復(fù)正常后，再對(duì)其進(jìn)行相關(guān)操作。

完成上述操作以后，需要檢測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)終點(diǎn)槽上的小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)以及終點(diǎn)信息，確定對(duì)應(yīng)的皮帶系統(tǒng)，同時(shí)需要檢查對(duì)應(yīng)皮帶系統(tǒng)的檢修標(biāo)志。如果皮帶系統(tǒng)一直處于正常運(yùn)行的狀態(tài)，則能夠獲取終點(diǎn)槽對(duì)應(yīng)的小車(chē)狀態(tài)信息，同時(shí)得到各個(gè)終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的入槽信息。

最后需要檢測(cè)各個(gè)皮帶系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、終點(diǎn)槽運(yùn)行狀態(tài)信息以及故障信息等。

經(jīng)過(guò)上述操作后，將可入槽的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可入槽的終點(diǎn)時(shí)，則說(shuō)明該計(jì)劃可行，反之，則說(shuō)明當(dāng)前槽點(diǎn)無(wú)可入槽終點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行延時(shí)啟動(dòng)處理。

2）終點(diǎn)運(yùn)輸計(jì)劃表的形成

對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中不同任務(wù)計(jì)劃的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，同時(shí)組建對(duì)應(yīng)的終點(diǎn)參數(shù)表格以及終點(diǎn)槽參數(shù)表。

3）終點(diǎn)槽在庫(kù)量更新

將皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中正在執(zhí)行計(jì)劃的終點(diǎn)槽進(jìn)行庫(kù)量更新[5]，則有：

其中切出任務(wù)中的終點(diǎn)槽庫(kù)量更新計(jì)算式為：

式中：

Q0—庫(kù)量；

Q1—當(dāng)前在庫(kù)量；

QS—輸送任務(wù)量；

V—切出速度；

TS—運(yùn)行時(shí)間。

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)確定系統(tǒng)的初始運(yùn)行時(shí)間，將其設(shè)定為狀態(tài)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)計(jì)算的優(yōu)先計(jì)算[6]。

4）終點(diǎn)最優(yōu)方案的選取

主要包含以下三個(gè)方案，分別為：

①通過(guò)不同終點(diǎn)最小切出時(shí)間確定最優(yōu)終點(diǎn)，以下給出具體的計(jì)算式：

式中：

Tout-max—終點(diǎn)的最大切出時(shí)間；

Tout-min—終點(diǎn)最小切出時(shí)間；

Ts-min—切出時(shí)間對(duì)比最小基準(zhǔn)。

當(dāng)系統(tǒng)滿足公式（3）中的相關(guān)需求時(shí)，需要優(yōu)先選取切出時(shí)間最小的終點(diǎn)。

②最優(yōu)先終點(diǎn)的選取

③通過(guò)優(yōu)先信息選取最優(yōu)先終點(diǎn)

作業(yè)間優(yōu)先信息為操作人員強(qiáng)制指定的起點(diǎn)—終點(diǎn)優(yōu)先關(guān)系，它的優(yōu)先關(guān)系大于終點(diǎn)順序常數(shù)表中的終點(diǎn)優(yōu)先選擇關(guān)系。

④終點(diǎn)槽最優(yōu)選取

通過(guò)作業(yè)指定順序選擇最優(yōu)終點(diǎn)槽，以下給出具體的計(jì)算式：

1.2 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制方法研究

編碼脈沖調(diào)制（PCM）是概念上最簡(jiǎn)單，理論上最為完整的編碼系統(tǒng)，也是目前使用范圍最廣的編碼系統(tǒng)，同時(shí)它也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。

脈沖編碼調(diào)制實(shí)際上就是將任意一種虛擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的特殊形式。首先需要將虛擬信號(hào)采用時(shí)域上離散時(shí)間點(diǎn)的振幅表示，即通過(guò)樣值表示；然后將連續(xù)取值的樣值利用離散的幅值近似表示；最后將離散的幅度值轉(zhuǎn)換為不易受到外界干擾的二進(jìn)制編碼。以下給出具體的操作過(guò)程：

1）抽樣；

2）量化；

3）編碼。

皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制主要采用的是恒壓控制脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，也就是將皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的形式進(jìn)行輸出[7,8]，對(duì)系統(tǒng)中的一組流量進(jìn)行控制，將系統(tǒng)中各個(gè)控制閥的開(kāi)口面積調(diào)整為相應(yīng)的比例，同時(shí)計(jì)算全部控制閥的總開(kāi)口面積，則有：

結(jié)合上述分析可知，當(dāng)輸出的二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，就能夠獲取和二進(jìn)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的開(kāi)口度，同時(shí)獲取信號(hào)以及流量之間的比例關(guān)系，則有：

PCM皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制技術(shù)能夠?qū)⒂绊懥髁康囊粋€(gè)量進(jìn)行固定。同時(shí)情況下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中含有較大的穩(wěn)壓包，它能夠促使p1保持穩(wěn)定不變，其中：

PCM皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制需要在一定誤差范圍內(nèi)滿足精度需求，則有：

為了有效避免計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，需要使Δp保持恒定的狀態(tài)，同時(shí)確保實(shí)際流量的輸出值和理論值兩者是十分接近的。

當(dāng)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口有流量流出時(shí)[9]，其中系統(tǒng)受力平衡方程能夠表示為以下的形式：

式中：

D—皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的控制閥閥芯半徑長(zhǎng)度；

k—彈簧剛度；

x0—彈簧的預(yù)壓縮比；

x—控制閥閥芯的移動(dòng)量。

將公式（9）進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，則能夠獲取以下計(jì)算式：

以下對(duì)Δp求偏導(dǎo)，則有：

式中：

Kp—比例系數(shù)；

Ti—積分時(shí)間；

Td—微分時(shí)間；

x(t)—皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口輸入量；

dx(t)—皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口輸出量[10]。

為了方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)⒁陨瞎礁膶?xiě)為以下的形式：

式中：

n—調(diào)節(jié)時(shí)間；

Kd—微分系數(shù)。

結(jié)合上述分析，需要對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量進(jìn)行優(yōu)化，則有：

圖1 不同皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口輸入量下各種方法的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

將二進(jìn)制編碼的不同數(shù)值轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖信號(hào)完成皮帶系統(tǒng)斗口流量控制，即：

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制方法的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Anaconda3.5，Python3.5 以及 Tensor Flow(1.4.0)。

1）響應(yīng)時(shí)間/（min）：

實(shí)驗(yàn)選取兩種傳統(tǒng)控制方法作為對(duì)比方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以下分別給出三種控制方法的響應(yīng)時(shí)間變化情況，具體如圖1所示。

分析圖1可知，隨著皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口輸入量的不斷增加，各種控制方法的響應(yīng)時(shí)間也在不斷發(fā)生變化。相比其它兩種方法，所提方法的響應(yīng)時(shí)間明顯較低，這說(shuō)明所提方法能夠以最快的速度實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制。

2）運(yùn)行效率/（%）：

為了更近一步驗(yàn)證所提控制方法的有效性，以下選取運(yùn)行效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中運(yùn)行效率的取值越高，則說(shuō)明控制方法的控制時(shí)間越短，以下詳細(xì)給出三種方法的對(duì)比結(jié)果，如表1～表3所示。

表1 所提方法的運(yùn)行效率變化情況

表2 文獻(xiàn)[7]方法的運(yùn)行效率變化情況

綜合分析表1～表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所提方法的運(yùn)行效率在三種控制方法中為最高；文獻(xiàn)[7]方法的運(yùn)行效率次之；文獻(xiàn)[8]方法的運(yùn)行效率最低。以上實(shí)驗(yàn)的對(duì)比全面驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性，同時(shí)說(shuō)明所提方法能夠利用最短的時(shí)間完成皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制。

3）控制誤差/（%）：

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法控制效果的好壞，以下選取控制誤差作為衡量指標(biāo)，其中控制誤差越低，則說(shuō)明控制效果越理想，以下具體給出三種控制方法的控制誤差對(duì)比結(jié)果，如表4～表6所示。

分析表4～表6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比傳統(tǒng)的控制方法，所提方法的控制誤差明顯較低，這說(shuō)明所提方法相比傳統(tǒng)方法控制效果有了一定程度的改善。

表3 文獻(xiàn)[8]方法的運(yùn)行效率變化情況

表4 所提方法的控制誤差變化情況

表5 文獻(xiàn)[7]方法的控制誤差變化情況

表6 文獻(xiàn)[8]方法的控制誤差變化情況

3 結(jié)束語(yǔ)

為了有效解決傳統(tǒng)流量控制方法存在的運(yùn)行效率較低，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等無(wú)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)斗口流量控制方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效提升控制精度，同時(shí)降低響應(yīng)時(shí)間，使其滿足現(xiàn)階段的發(fā)展需求。