巴彥高勒煤礦皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)研究

曹浩浩， 楊 東， 王杜垚

(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

1 前言

皮帶輸送機是煤礦井下主要運輸設(shè)備，同時設(shè)備額定運輸量普遍高于實際運輸需要，從而導(dǎo)致皮帶輸送機能耗大、磨損嚴(yán)重問題[1-3]?，F(xiàn)階段礦井皮帶輸送機多采用變頻器實現(xiàn)軟啟動，但是變頻器在節(jié)能降耗方面功能未充分發(fā)揮[4-6]。巴彥高勒煤礦實際皮帶運行過程中，311308工作面巷道皮帶(DSJ140/300/4×500)和13盤區(qū)皮帶(DTL160/380/4×710)均為持續(xù)恒速運轉(zhuǎn)(4 m/s)，均通過永磁變頻驅(qū)動，巷道皮帶和13盤區(qū)大巷設(shè)計年運量可達(dá)到1 584萬t和2 006萬t左右，而實際上13盤區(qū)的年產(chǎn)量僅為400萬t左右，皮帶運行過程中存在嚴(yán)重的能耗浪費。本文以13盤區(qū)皮帶及311308工作面巷道皮帶為研究對象，設(shè)計皮帶機變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)，以便提高皮帶輸送機工作效率并降低設(shè)備運輸能耗。

2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

皮帶輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)根據(jù)功能可以分為皮帶輸送機控制單元、皮帶輸送機檢測單元、PLC 控制器單元和上位機數(shù)據(jù)分析處理單元[7]。傳感器及檢測儀表通過電子皮帶秤、速度傳感器和料流傳感器等，把皮帶瞬時煤量及帶速等運行參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬量，便于傳入 PLC。變頻器通過改變輸出電流頻率改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)運行速度調(diào)節(jié)。智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 硬件結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 煤流傳感器確定

1)311308工作面巷道皮帶煤流量傳感器確定

考慮到皮帶機尾在工作面推進的過程中需要不斷的移動，電子皮帶秤、光波秤等稱重裝備不易于拆卸，井下工人工作強度較大，不推薦使用。推薦使用易于移動不需要校準(zhǔn)的計量設(shè)備進行計量煤量。在充分分析目前國內(nèi)外較為成熟的技術(shù)方案和礦井現(xiàn)狀的的基礎(chǔ)上，選擇了四個皮帶調(diào)速節(jié)能方案進行分析論證，各方案參數(shù)詳見表1[8-10]。

表1 各方案對比表

上述4個方案中，方案四(電流感應(yīng)計量煤量)成本最低，但是該方案對煤流量變化不敏感，無法對瞬時煤量進行監(jiān)測，容易造成堆煤事故，故不推薦方案四。方案一(料流傳感器計量煤量)、方案二(攝像頭計量煤量)、方案三(激光發(fā)射器加攝像頭計量煤量)均屬于非接觸法測量瞬時煤量，受限于井下的復(fù)雜環(huán)境，計量精度均不高；相較于料流傳感器，攝像頭計量準(zhǔn)確度略高些，價格卻高出近7倍，考慮到投入費用和節(jié)能效果的平衡關(guān)系，推薦使用方案一，即根據(jù)料流傳感器計量巷道皮帶的瞬時煤量，實現(xiàn) 311308工作面巷道皮帶的速度智能調(diào)節(jié)。采用的料流傳感器型號為GL3- 24型，結(jié)構(gòu)如圖2所示，技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 料流傳感器主要參數(shù)

圖2 GL3- 24礦用隔爆型料流傳感器

2)13盤區(qū)大巷皮帶煤流量傳感器確定

13盤區(qū)大巷皮帶來煤方向主要是311308工作面和掘進工作面，可在工作面巷道機頭附近安設(shè)計量裝備對巷道煤量進行計量；掘進工作面不設(shè)計量裝備，結(jié)合實際最大出瞬時煤量進行估算。在充分分析目前國內(nèi)外較為成熟的技術(shù)方案和礦井現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選擇了單秤體電子皮帶秤，雙秤體電子皮帶秤和陣列式電子皮帶秤對皮帶計量進行分析論證，各方案參數(shù)詳見表3。

表3 煤量計量裝置對比表

綜合比較可知，雙秤體電子皮帶秤和陣列秤在稱重準(zhǔn)確度，實物標(biāo)定重復(fù)性、耐久性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的皮帶秤，故排除傳統(tǒng)的皮帶秤。陣列秤實際準(zhǔn)確度僅比雙秤體電子皮帶稱高出0.05%，而價格卻高出25萬，故推薦使用雙秤體電子皮帶秤進行計量?？紤]到井下工況等實際情況，本次選用ICS- 17JS電子皮帶秤，具體技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 電子皮帶秤技術(shù)參數(shù)

3)傳感器安裝位置

工作面刮板輸送機及轉(zhuǎn)載機由于本身的結(jié)構(gòu)不易于裝設(shè)煤量計量裝備，為及時采集巷道皮帶煤量，計量裝備應(yīng)安裝在皮帶機機尾附近。在13盤區(qū)311308工作面巷道皮帶機機尾附近設(shè)置一臺料流傳感器，根據(jù)料流傳感器采集的瞬時煤量；在13盤區(qū)311308工作面巷道皮帶機頭附近設(shè)置一臺防爆電子秤，根據(jù)電子秤采集的瞬時煤量，對 13 盤區(qū)大巷皮帶的速度進行控制，具體電子秤布置方案如圖3所示。

圖3 電子稱布置方案

2.2.2 變頻器

變頻器通過改變輸入電機電流頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速， PLC 通過輸出不同的模擬信號控制變頻器改變頻率，最終改變電機轉(zhuǎn)速，即皮帶輸送機的帶速。變頻器和各部分之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 變頻器線路連接圖

2.2.3 PLC

PLC的主控模塊用來數(shù)據(jù)存儲和邏輯運算，并擁有以太網(wǎng)通信模塊，可以通過 TCP/IP 協(xié)議，方便的連接上位機，進行數(shù)據(jù)傳輸，具體PLC與其他硬件連接情況如圖5所示。

圖5 PLC與其他硬件連接示意圖

在皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)中PLC煤量輸入信號有兩個，一個為311308巷道的流傳感器輸入信號(4～20 mA)，另一個為13盤皮帶上的電子皮帶秤輸入信號(4～20 mA)；考慮到井下工況等實際情況，本次選用西門子PLC，具體參數(shù)見表5。

表5 PLC技術(shù)參數(shù)

2.2.4 上位機

上位機不僅能夠?qū)崟r在線的監(jiān)控皮帶輸送機系統(tǒng)的運行狀態(tài)和各個參數(shù)的變化，而且還具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和計算能力。上位機由組態(tài)軟件力控來搭建系統(tǒng)界面及功能，上位機選用研華IPC- 610，配24寸顯示器。

3 皮帶輸送機智能控制

3.1 皮帶輸送機煤流量與帶速模型確定

為實現(xiàn)皮帶輸送機智能控制，首先應(yīng)實現(xiàn)煤流量與帶速最優(yōu)匹配。因此，構(gòu)建皮帶輸送機煤流量、帶速和電動機功耗的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并用遺傳算法優(yōu)化BP模型參數(shù)，得出煤流量與帶速的最優(yōu)匹配關(guān)系。

3.1.1 構(gòu)建皮帶輸送機BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型

在輸送機煤流量變化比較小的時間段內(nèi)設(shè)煤流量為Q，此時調(diào)節(jié)變頻器使得帶速從最小值Vmin經(jīng)歷到最大Vmax，記錄每個速度V對應(yīng)的功耗P，選取功耗最小值Pmin對應(yīng)帶速V。這時得到一組數(shù)據(jù)：即煤流量為Q時、電動機功耗為最小值Pmin時所對帶速V。用相同的方法測得不同煤流量時帶速和最小功耗。通過現(xiàn)場測得61組實驗數(shù)據(jù)：即煤流量為Q1，Q2，Q3時，使得電動機功耗為最小為Pmin1，Pmin2，Pmin3時所對應(yīng)的輸送機速度值V1，V2，V3，該實驗數(shù)據(jù)可作為建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型的樣本數(shù)據(jù)。

采用Matlab建立煤流量、帶速、電動機功耗間的BP節(jié)能模型，具體如圖6所示。隱含層的激活函數(shù)選擇S型激活函數(shù)，輸出層選擇線性激活函數(shù)。其中輸入節(jié)點數(shù)為 2，分別表示煤流量和帶速；輸出層節(jié)點數(shù)為1，代表皮帶輸送機電動機功耗。

圖6 BP網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型

圖6中，r為輸入維數(shù)，q為樣本個數(shù)，S1為隱含層節(jié)點數(shù)，S2為輸出層節(jié)點數(shù)，F(xiàn)1、F2分別為隱含層與輸出層的激勵函數(shù)，W1、W2分別為隱含層與輸出層的權(quán)值矩陣；B1、B2分別為隱含層與輸出層的偏差矩陣，A1、A2分別為隱含層與輸出層的輸出。經(jīng)過構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型，進行循環(huán)訓(xùn)練，當(dāng)最大循環(huán)次數(shù)，訓(xùn)練時間訓(xùn)練誤差性能指標(biāo)中有參數(shù)到達(dá)之前設(shè)定的數(shù)值時，此時完成訓(xùn)練。這時便建立了帶式輸送帶煤流量，皮帶速度和電動機功耗三者之前的非線性節(jié)能模型，用測試得到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為參考，對模型進行優(yōu)化訓(xùn)練。

3.1.2 遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型

在確定了皮帶輸送機BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型后，應(yīng)用遺傳算法對該模型進行參數(shù)優(yōu)化。遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程如圖7所示，圖中虛線部分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法部分。節(jié)能模型公式為：P=f(x1，x2)，式中，x1，x2為需進行優(yōu)化的變量，分別代表皮帶輸送機的煤流量和皮帶速度。

圖7 遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖

現(xiàn)在假定皮帶輸送機煤流量x1為1 500 t/h，皮帶速度x2的取值范圍為(1.5，2)，即1.5～2 m/s。該問題可轉(zhuǎn)換為在區(qū)間[1.5，2]中找尋能使得P取最小值點的問題。所以[1.5，2]中的所有點x2就是所有個體，函數(shù)值f(x1，x2)則對應(yīng)成為x的適應(yīng)度，區(qū)間[1.5，2]成為它的解空間。根據(jù)13盤區(qū)現(xiàn)場情況，確定的遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)進化過程如圖8所示。

圖8 遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)進化過程

由圖8可知，遺傳算法得到的最優(yōu)解為：當(dāng)煤流量為1 500 t/h 時，帶速設(shè)置為 1.98 m/s，功耗為最小值 816.09 kW。在程序中改變X和Y值，可以得到皮帶輸送機煤流量為任意值時，使得功耗最小所對應(yīng)的帶速值。

3.1.3 皮帶運量與速度最優(yōu)對應(yīng)關(guān)系確定

在煤礦實際生產(chǎn)中，皮帶輸送機在運行中，煤流量時刻在變動，而且變化范圍比較大，不可能固定在同一個值。所以結(jié)合優(yōu)化結(jié)果和煤礦實際生產(chǎn)，煤流量一定變化范圍內(nèi), 通過遺傳算法得到最優(yōu)的帶速，從而實現(xiàn)煤流量與帶速間的最優(yōu)匹配，實現(xiàn)分階段調(diào)速。運量和速度對應(yīng)關(guān)系具體見表6、表7。

表6 311308工作面巷道皮帶運量與速度最優(yōu)對應(yīng)關(guān)系

表7 13盤區(qū)大巷皮帶運量與速度最優(yōu)對應(yīng)關(guān)系

3.2 皮帶輸送機調(diào)速控制

采用合適的控制算法，根據(jù)得出的最優(yōu)匹配結(jié)果設(shè)計模糊控制器，由PLC實現(xiàn)模糊控制，完成皮帶輸送機自適應(yīng)節(jié)能控制。

3.2.1 控制方式選擇

常用的智能調(diào)速控制方案有PID控制、模糊控制等。PID控制是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的線性控制系統(tǒng)，模糊控制是應(yīng)用最廣泛的非線性控制系統(tǒng)。具體兩種控制方式對比結(jié)果見表8。模糊控制在魯棒性、抗干擾性和適應(yīng)性等方面都明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制，但是在精確性方面劣于常規(guī)PID控制?？紤]到皮帶輸送機系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常會出現(xiàn)來自各方面的干擾和波動，而且相比精確性，穩(wěn)定性顯得更為重要。綜合考慮，文中基于模糊控制理論設(shè)計合適的模糊決策實現(xiàn)皮帶輸送機節(jié)能控制。

表8 PID- 模糊控制比對結(jié)果

3.2.2 模糊控制器設(shè)計

為使皮帶輸送機節(jié)能運行，要合理匹配帶速V和煤流量Q，調(diào)節(jié)電流頻率f。模糊控制器的輸入量選取運行速度偏差E、運行速度偏差變化率EC，電流頻率f作為模糊控制器的輸出量。采用模糊控制來實現(xiàn)負(fù)載的智能跟蹤控制，具體控制系統(tǒng)過程如圖9所示。

圖9 皮帶輸送機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)過程

3.3 控制方式選擇

本系統(tǒng)控制方式分為3種：集中控制、手動控制和就地控制。在這3種控制方式下，集中控制可以使系統(tǒng)運行按照與事先編輯好的程序運行；手動控制可以通過組態(tài)界面自定義的進行速度調(diào)節(jié)；就地操作模式可以讓工作人員在井下實地進行操作。針對以上所說的3種工作模式，在系統(tǒng)工作的過程中不能同時運行，在組態(tài)頁面上有3個按鈕可以控制3個控制方式。當(dāng)智能調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，皮帶自動調(diào)為高速，同時隔離智能節(jié)能系統(tǒng)，確保生產(chǎn)安全。

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過進行前期開發(fā)和現(xiàn)場安裝調(diào)試后，系統(tǒng)已在巴彥高勒煤礦13盤區(qū)皮帶和311308工作面巷道皮帶實現(xiàn)了皮帶分階段調(diào)速功能，系統(tǒng)進入工業(yè)試用階段。從系統(tǒng)運行至今，礦井現(xiàn)場信號采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸和中心服務(wù)器均工作穩(wěn)定，無硬件與軟件故障，在皮帶速度有效控制和節(jié)能降耗方面取得了較好的效果。具體智能調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)運行情況如圖10所示。

圖10 智能調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)運行情況

4.2 能耗節(jié)約效果

1)13 盤區(qū)大巷皮帶輸送機

13盤區(qū)大巷皮帶輸送機的最大運量為3 800 t/h，按照400萬t/a計算，平均運量約為758 t/h；系統(tǒng)使用前，運行速度為4.5 m/s，經(jīng)計算，消耗的功率N軸=1 023 kW；系統(tǒng)使用后，平均速度為1.98×1.25=2.5 m/s(其中，1.25為安全系數(shù))，經(jīng)計算，消耗的功率N軸=673 kW；按上述功率計算，每年可以節(jié)電1 849 630度電，電費按0.46元/度，每年可以節(jié)省電費約計85.1萬元。

2) 311308工作面巷道皮帶輸送機

311308工作面巷道皮帶輸送機的最大運量為3 000 t/h，按照400萬噸/a計算，平均運量約為758 t/h；系統(tǒng)使用前，運行速度為4.0 m/s，經(jīng)計算，消耗的功率N軸=918 kW；系統(tǒng)使用后，平均速度為1.76×2.0=3.5 m/s(其中，2.0為安全系數(shù))，經(jīng)計算，消耗的功率N軸=832 kW；按上述功率計算，每年可以節(jié)電453 845度電，電費按0.46元/度，每年可以節(jié)省電費約計20.9萬元。綜上所述，皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)使用后，年節(jié)省電費近106萬元，由此可見，節(jié)電效果十分明確。

4.3 降低損耗效果

礦用皮帶輸送機在工作運行中，以電能消耗為主。此外，機械損耗也是一個非常重要而不能忽略的因素，這是由軸承、滾筒、托輥和皮帶之間的摩擦造成的。當(dāng)帶速升高，其滾筒和軸承的轉(zhuǎn)速就會加快，因而機械損耗就增加。由于帶速的波動，由于皮帶輸送機運行的帶速不同，托輥與皮帶因為摩擦造成的損耗程度也不一樣。當(dāng)輸送機速度降低時，在相同的時間內(nèi)，托輥與皮帶因為摩擦造成的損耗也相應(yīng)的降低，換句話說隨著帶速的降低，輸送帶的機械磨損度也隨之降低。

5 結(jié)論

(1)從煤礦皮帶運行和維護實際情況出發(fā)，針對目前在煤礦皮帶一直固定高速運行的問題，將變頻調(diào)速思維引入到煤礦皮帶設(shè)備管理領(lǐng)域，研發(fā)出一套皮帶輸送機智能調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)以料流傳感器及電子皮帶秤雙重煤量計量及PLC為核心，根據(jù)煤流量的實時檢測數(shù)據(jù)，通過PLC編程控制邏輯對變頻器進行調(diào)速，實現(xiàn)“煤多快跑，煤少慢跑”的智能調(diào)速功能。

(2)采用料流傳感器及電子皮帶秤對13盤區(qū)瞬時煤量進行計量，結(jié)合運量與速度的關(guān)系，分階段的控制皮帶速度，實現(xiàn)皮帶輸送機“煤多快跑、煤少慢跑”，避免空載、輕載高速運行現(xiàn)象，有效的節(jié)約電耗，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。建立一套由料流傳感器與電子皮帶秤相結(jié)合的煤量計量體系，兩種計量方式相關(guān)校準(zhǔn)，從而是計量更加高效準(zhǔn)確。構(gòu)建煤量與速度的模糊匹配體系，準(zhǔn)確的掌握煤量與速度的對應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到高效節(jié)能的目的。

(3)在應(yīng)用實踐階段，經(jīng)過巴彥高勒煤礦的試運行，本系統(tǒng)軟件及硬件工作運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了對皮帶輸送機的自動調(diào)速；減少了皮帶配件的磨損，降低了皮帶運行的耗電費用，提高了皮帶運行的效率，延長皮帶使用壽命，實現(xiàn)煤礦的節(jié)能降耗、高效安全生產(chǎn)。