煤礦大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制的設(shè)計(jì)分析

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引言

隨著各種設(shè)備在煤礦開采中進(jìn)行應(yīng)用，我國的煤炭生產(chǎn)效率得到了較大的提升，但在開采過程中一直存在著高成本、高能耗等問題，從而使我國的煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型受到較大制約。目前的研究主要是針對(duì)綜采工作面單個(gè)設(shè)備在運(yùn)行過程中的節(jié)能方式進(jìn)行一定的仿真分析，在此基礎(chǔ)上確定相關(guān)的節(jié)能策略，能夠?qū)δ芎拇蟮那闆r有所改善。但如果將綜采作業(yè)面的全部設(shè)備視為一個(gè)整體，通過對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同控制進(jìn)行分析研究，則能夠更好地降低能耗。

1 協(xié)同控制總體方案設(shè)計(jì)

按照煤礦綜采作業(yè)面的具體情況，可以把煤礦大型機(jī)電設(shè)備的協(xié)同控制系統(tǒng)分成三種界面，每個(gè)界面負(fù)責(zé)的內(nèi)容不同，具體為對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)感知以及對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同控制。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

協(xié)同控制系統(tǒng)的硬件包含多個(gè)模塊，而本文將主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知模塊、ADC模塊以及按鍵模塊的設(shè)計(jì)選型進(jìn)行介紹分析。

（1）物聯(lián)網(wǎng)感知模塊設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)感知模塊通過使用壓力傳感器以及速度傳感器等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的大型機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)以及相關(guān)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。為了保證監(jiān)測(cè)的效果，需要將各種監(jiān)測(cè)傳感器布置在對(duì)應(yīng)設(shè)備的敏感處或者離關(guān)鍵位置最近處，并且所有傳感器都需要能夠獨(dú)立供電，確保相互之間不會(huì)受影響。

（2）ADC 模塊設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)所收集的模擬信號(hào)可以較為精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，選擇型號(hào)為STM32F103RCT的ADC轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)配置三個(gè)ADC通道，從而能夠收集相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)以及環(huán)境信息的模擬信號(hào)[1]。

（3）按鍵模塊設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)置確認(rèn)、返回以及復(fù)位按鍵，其中確認(rèn)與返回設(shè)置為只有在高電平的情況下才是有效的，而復(fù)位則只有在低電平的情況下才有效。并且將按鍵模塊的接口連接對(duì)應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換模塊的接口。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上，本文將主程序拆分成子模塊程序后再進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括模塊的初始化以及功能測(cè)試。對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)需要遵照一定的設(shè)計(jì)理念，具體為：先利用系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)感知模塊，收集相關(guān)機(jī)電設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及工作環(huán)境的相關(guān)信息，利用ADC轉(zhuǎn)換模塊將獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并利用SD模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，從而在系統(tǒng)控制界面便能夠?qū)ο嚓P(guān)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析。

為了確保系統(tǒng)可以根據(jù)得到的信號(hào)對(duì)煤礦中的大型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行協(xié)同控制，本文使用的是以動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)的煤礦系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法，這種算法能夠以較短的時(shí)間，完成綜采工作面內(nèi)相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)任務(wù)聯(lián)系的建立，從而實(shí)現(xiàn)效率最高，能耗最低的目標(biāo)。因此，只需要按照數(shù)據(jù)對(duì)正常運(yùn)行的設(shè)備能耗進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，就能夠確定目前生產(chǎn)任務(wù)下效率最高、能耗最低的工作模式。首先根據(jù)相關(guān)公式得到當(dāng)前工作狀態(tài)下設(shè)備的運(yùn)行總負(fù)荷和效率，之后統(tǒng)計(jì)所有的運(yùn)行設(shè)備的數(shù)量，最后在按照相關(guān)公式得到系統(tǒng)的最優(yōu)效率以及最低能耗[2]。

為了保證煤礦中的大型機(jī)電設(shè)備都能夠處于最佳的節(jié)能狀態(tài)，需要盡可能地使各個(gè)設(shè)備的負(fù)荷處于最佳的水平。根據(jù)這種理念以及最佳平放逼近方法，計(jì)算最優(yōu)效率的逼近函數(shù)，從而使設(shè)備的實(shí)際工作效率與預(yù)期的效率值盡可能接近，進(jìn)而確定設(shè)備的具體能耗。根據(jù)設(shè)備實(shí)際的能耗情況以及最優(yōu)能耗值，明確各個(gè)設(shè)備在工作中執(zhí)行任務(wù)的先后順序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)效率最好，能耗最低的目標(biāo)。

2 協(xié)同控制效果仿真分析及應(yīng)用

2.1 協(xié)同控制效果仿真分析

為了對(duì)設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，采用仿真分析的方法與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括生產(chǎn)任務(wù)未完成率、搶占系統(tǒng)資源次數(shù)、噸煤耗能。本文基于某煤礦完成仿真模型的搭建。

本文提出的協(xié)同控制算法能夠顯著的減少各任務(wù)間搶占的資源的次數(shù)，并且任務(wù)完成率更高。在煤礦連續(xù)作業(yè)二十四小時(shí)之后，整體消耗的電量趨于穩(wěn)定，并且噸煤的能夠明顯下降。

2.2 協(xié)同控制策略的應(yīng)用

選擇某個(gè)煤礦作為分析對(duì)象，按照其綜采工作面大型機(jī)電設(shè)備的實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)了與掘進(jìn)類大型機(jī)電設(shè)備相匹配的設(shè)備運(yùn)行模式庫，利用自學(xué)習(xí)模式，使其在工作時(shí)能夠保持高效率、低能耗的狀態(tài)。

通過采用系統(tǒng)控制系統(tǒng)，掘進(jìn)類機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)噸煤的能耗有較大程度的下降，接近13%。并且通過將在其他子系統(tǒng)中應(yīng)用這種系統(tǒng)控制理念，子系統(tǒng)的能耗也有所下降，進(jìn)而使得煤礦大型機(jī)電設(shè)備的整體能耗可以降低18%左右[3]。

3 結(jié)束語

本文以某煤礦為例，設(shè)計(jì)了大型機(jī)電設(shè)備的協(xié)同控制系統(tǒng)，并且經(jīng)過仿真驗(yàn)證得到了較好的結(jié)果，對(duì)煤礦大型機(jī)電設(shè)備進(jìn)一步的進(jìn)行協(xié)同控制設(shè)計(jì)分析有一定的幫助。