煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化控制分析

吳 震

（重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520）

我國煤炭資源豐富，目前大型煤礦開采大多依靠煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)把開采的煤炭運(yùn)輸?shù)降孛?。隨著煤炭開采技術(shù)的日益提高，煤炭開采量巨大，對膠帶運(yùn)輸機(jī)的要求也越來越高。目前煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)大多具有運(yùn)輸距離長、功率大、速度高的特點，所以煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)使用能量較多。又由于目前很多煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)的控制相對簡單，無論負(fù)載情況，只是按照設(shè)定的一個恒定速度運(yùn)行，存在大量的能源浪費(fèi)情況，并且設(shè)備在有無負(fù)載的情況都處于運(yùn)行狀態(tài)，也增大了設(shè)備的損耗。目前，亟需對落后的膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，達(dá)到節(jié)約能源、延長設(shè)備使用壽命、減少故障發(fā)生的目的。

本文將設(shè)計一套對煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)的優(yōu)化控制方案，首先對煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)的負(fù)載、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并且把相應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)的輸入端，通過智能算法對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，來調(diào)節(jié)膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸速度，實現(xiàn)負(fù)載大快速運(yùn)行、負(fù)載小慢速運(yùn)行、空載不運(yùn)行的效果，并且本文將開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測軟件，通過本地客戶端和遠(yuǎn)程客戶端能夠監(jiān)測到膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行情況。

1 煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)基本結(jié)構(gòu)與節(jié)能分析

1.1 煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下煤炭開采運(yùn)輸?shù)膶嶋H需要，膠帶運(yùn)輸機(jī)應(yīng)具有驅(qū)動運(yùn)輸、制動、改向、裝料、卸料、張緊、清掃等功能。基于這些基本功能需要，膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般具有驅(qū)動電機(jī)、托輥、皮帶、支架等部分起到支撐和運(yùn)輸煤炭的作用；具有轉(zhuǎn)向裝置用來改變膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸方向；具有張緊裝置起到驅(qū)動電機(jī)帶動皮帶運(yùn)行，并防止皮帶打滑和撕裂；具有裝料和卸料裝置，用來把開采的煤炭放置到皮帶上且運(yùn)輸?shù)侥康牡睾竽軌蛲ㄟ^卸料裝置把煤炭從皮帶上卸下。同時，為了保障皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)安全運(yùn)行減少故障，并為安全監(jiān)測和智能控制提供數(shù)據(jù)，一般會根據(jù)需要在膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)中安裝傳感器來監(jiān)測其運(yùn)行狀況并進(jìn)一步實施智能控制。單級膠帶運(yùn)輸機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單級膠帶運(yùn)輸機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能分析

膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時的阻力主要包含由托輥、皮帶、煤料產(chǎn)生的摩擦力，這個主要阻力和這幾部分之間的摩擦系數(shù)、皮帶的長度、皮帶的重量、煤料在皮帶上的分布情況和重量、膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時的傾斜角度都有關(guān)系，主要阻力通過力學(xué)公式計算可得。除了主要阻力外，由于煤料放置到皮帶上時會產(chǎn)生慣性和摩擦阻力、驅(qū)動電機(jī)軸承偶然的阻力、皮帶的纏繞阻力等，膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時還會產(chǎn)生附加阻力。由于清掃皮帶、卸料摩擦、托輥前傾、煤料與導(dǎo)槽之間摩擦等因素影響，膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時還會產(chǎn)生特種阻力。另外，膠帶運(yùn)輸機(jī)向上提升或向下運(yùn)輸煤料時，膠帶運(yùn)輸機(jī)還會產(chǎn)生傾斜阻力。這些阻力可以通過具體的公式和經(jīng)驗大致計算得到，進(jìn)一步控制影響這些阻力因素，來達(dá)到節(jié)能的目的。

理想狀況下，膠帶運(yùn)輸機(jī)皮帶上的煤料填充率為100%，其阻力為額定阻力，運(yùn)行速度為額定速度，這時節(jié)能效果最佳。但是由于煤炭開采的不確定性，無法保證每時每刻皮帶上煤料的填充率為100%。這時，就考慮對皮帶上煤料的填充率進(jìn)行監(jiān)測，使得皮帶上煤料填充率與膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度正相關(guān)。當(dāng)空載時膠帶運(yùn)輸機(jī)以怠速運(yùn)行，等待煤料添加到皮帶上，達(dá)到空載時最大節(jié)能效果；當(dāng)皮帶上填充率未達(dá)到100%時，膠帶運(yùn)輸機(jī)根據(jù)填充率的具體數(shù)據(jù)來降速運(yùn)行，等待填充率逐步上升，膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度也相應(yīng)提升；當(dāng)皮帶填充率帶到100%時，膠帶運(yùn)輸機(jī)按照額定速度運(yùn)行。

2 煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)優(yōu)化控制

2.1 膠帶運(yùn)輸機(jī)優(yōu)化控制思路

首先在煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)合適的位置上安裝皮帶秤、速度傳感器、扭矩傳感器、電壓電流傳感器等設(shè)備來實時監(jiān)測膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。然后通過智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以此來判斷膠帶運(yùn)輸機(jī)的填充率和運(yùn)行效率。以膠帶運(yùn)輸機(jī)的填充率等數(shù)據(jù)為輸入指標(biāo)，通過比例積分微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制器來調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度智能控制的目的，保持膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行效率 最大化，避免空載和輕載情況下，膠帶運(yùn)輸機(jī)仍然按照額定速度運(yùn)行。

2.2 膠帶運(yùn)輸機(jī)優(yōu)化控制設(shè)計

PID控制是由比例、積分、微分控制相結(jié)合對系統(tǒng)進(jìn)行控制，既能夠考慮到系統(tǒng)的響應(yīng)速度，還能夠兼顧系統(tǒng)超調(diào)和變化趨勢等，有較好適應(yīng)性和魯棒性。另外PID控制結(jié)構(gòu)比較簡單，穩(wěn)定性比較好，可靠性較高，控制精度較高。本文根據(jù)煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)工作實際情況和具體要求對其設(shè)計優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過實驗和理論計算來調(diào)節(jié)PID參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)控制目的，其控制原理如圖2所示。

圖2 膠帶運(yùn)輸機(jī)控制原理圖

3 膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)計

為了保障膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)安全運(yùn)行，方便遠(yuǎn)程和實時監(jiān)測煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀況，本文開發(fā)基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server, B/S）+客戶端/服務(wù)器（Client/Server, C/S）混合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模 式監(jiān)測軟件，來實時監(jiān)測膠帶運(yùn)輸?shù)闹匾\(yùn)行數(shù)據(jù)。這種混合網(wǎng)絡(luò)模式架構(gòu)，在本地可以通過客戶端采用有線的方式實時監(jiān)測膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實時性，當(dāng)我們離開監(jiān)測中心時，我們可以通過瀏覽器遠(yuǎn)程監(jiān)測膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。混合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式如圖3所示。

圖3 混合模式結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際需要，本文開發(fā)監(jiān)測軟件應(yīng)具有實時數(shù)據(jù)顯示、實時趨勢曲線、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報表、超限報警等功能。其中，數(shù)據(jù)分析功能是本文基于組態(tài)王開發(fā)的監(jiān)測軟件通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange, DDE）技術(shù)調(diào)用Matlab軟件智能算法，分析得出膠帶運(yùn)輸機(jī)皮帶填充率，進(jìn)一步給定膠帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行速度設(shè)定值，并通過PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。監(jiān)測平臺軟件架構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

通過監(jiān)測軟件實時監(jiān)測膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行情況，需要首先登陸監(jiān)測軟件系統(tǒng)，登錄界面需要正確的用戶名和密碼，否則將無法查看監(jiān)測信息。

圖4 監(jiān)測軟件架構(gòu)

4 結(jié)語

本文針對煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)存的能源浪費(fèi)問題，研究了煤礦膠帶運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，并對節(jié)能原理進(jìn)行了分析，提出了根據(jù)煤礦膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)皮帶的負(fù)載情況進(jìn)行智能控制的思想，通過安裝傳感器對膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出膠帶運(yùn)輸機(jī)最佳運(yùn)行速度，并作為輸入傳遞給PID控制器，對膠帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。此優(yōu)化控制系統(tǒng)通過實驗?zāi)軌蜻_(dá)到額定負(fù)載額定速度運(yùn)行，輕載減速運(yùn)行，空載怠速運(yùn)行的目的，起到了節(jié)約能源的效果。

本文開發(fā)基于B/S+C/S混合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式監(jiān)測軟件，來實時監(jiān)測膠帶運(yùn)輸?shù)闹匾\(yùn)行數(shù)據(jù)。這種監(jiān)測模式既保證監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性，也為遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了方便。監(jiān)測軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)全面，并具有數(shù)據(jù)分析功能，可以根據(jù)皮帶填充率得到最佳運(yùn)行速度。對該優(yōu)化控制系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，有一定的工程實踐價值。