帶式輸送機(jī)節(jié)能控制與仿真分析

吳 濤

中國(guó)神華國(guó)際工程有限公司 北京 100010

帶 式輸送機(jī)為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，承擔(dān)著綜采工作面煤炭運(yùn)輸至地面的任務(wù)。目前，隨著采煤工藝的不斷改進(jìn)和采煤能力的不斷提升，帶式輸送機(jī)必須朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展才能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求[1]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化控制在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的智能化控制，從而達(dá)到節(jié)能目的也尤為重要。

目前，綜采工作面帶式輸送機(jī)主要以恒定速度運(yùn)行，無(wú)法根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、給煤速度以及煤炭運(yùn)量等指標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)、智能控制，難以在滿足工作面煤炭運(yùn)輸能力的同時(shí)，達(dá)到提高運(yùn)輸效率、降低能耗的目的。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)量及負(fù)載預(yù)測(cè)

實(shí)時(shí)掌握帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)輸量并精準(zhǔn)預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)負(fù)載，對(duì)于實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能智能化控制尤為重要。

1.1 帶式輸送機(jī)運(yùn)量測(cè)量方法研究

總的來(lái)說(shuō)，帶式輸送機(jī)運(yùn)量測(cè)量方法可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量[2]。其中，接觸式測(cè)量方法中最具代表性的是電子皮帶秤測(cè)量法，該方法所用的電子皮帶秤主要包括速度傳感器、稱重傳感器、稱重框架以及工況機(jī)等部件，具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 中電子皮帶秤配置的稱重傳感器一般為電阻應(yīng)變式傳感器，該傳感器在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中容易受到環(huán)境的影響而出現(xiàn)塑性變形，直接表現(xiàn)為傳感器所獲取的數(shù)據(jù)高于實(shí)際值，誤差較大。速度傳感器用于監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)輸送帶的速度。目前，基于直接接觸的電子皮帶秤測(cè)量法的測(cè)量精度最高可達(dá)±0.25%。

非接觸式測(cè)量方法主要包括核子皮帶秤測(cè)量法、超聲波測(cè)距法、激光 CCD 圖像測(cè)量法以及激光掃描法等[3]。其中，核子皮帶秤測(cè)量法的測(cè)量精度可達(dá)到±1% 左右，但是該方法中的γ射線具有明顯的放射性，容易對(duì)人體造成危害。超聲波測(cè)距法的測(cè)量精度在很大程度上受制于超聲波測(cè)距儀，實(shí)踐表明該方法并不能完全適用于運(yùn)量的主要測(cè)試，僅可作為輔助應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)輸中對(duì)煤量的定性分析。激光 CCD 圖像測(cè)量法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面的光線要求比較嚴(yán)苛，且該方法對(duì)圖像的處理時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)算量較大，即響應(yīng)速度較慢。激光掃描法主要通過(guò)所構(gòu)建的煤體數(shù)學(xué)模型對(duì)運(yùn)量進(jìn)行估算，實(shí)踐表明該方法不僅測(cè)量精度較高，而且對(duì)應(yīng)的測(cè)量重復(fù)性和相關(guān)性可達(dá) 98%。

基于當(dāng)前“智能礦山”的總體建設(shè)要求，為了實(shí)現(xiàn)煤礦智能化、無(wú)人化運(yùn)行，帶式輸送機(jī)煤炭運(yùn)輸量的測(cè)量必須具備高測(cè)量精度、高抗干擾特性以及強(qiáng)適應(yīng)性。綜合對(duì)比上述方法，非接觸式測(cè)量方法將成為主流，本項(xiàng)目擬采用激光掃描測(cè)量法實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)煤炭運(yùn)量的測(cè)量，所選設(shè)備為 CMSV500 防爆三維激光掃描儀，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 CMSV500 防爆三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of CMSV500 explosion-proof 3D laser scanner

1.2 帶式輸送機(jī)的負(fù)載預(yù)測(cè)

激光掃描法僅能夠?qū)捷斔蜋C(jī)輸送帶上的煤炭外形及體積進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法充分測(cè)量煤料的內(nèi)部堆積情況。因此，單純依靠激光掃描法對(duì)煤料進(jìn)行掃描所得的測(cè)量結(jié)果實(shí)際精度還不夠。為解決這一問(wèn)題，需要對(duì)輸送帶上的煤料負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)。

根據(jù)文獻(xiàn) [4]，通過(guò)構(gòu)建單級(jí)煤球堆積模型和多級(jí)煤球堆積模型，可構(gòu)建帶式輸送機(jī)輸送帶上的煤料顆粒堆積模型?？紤]到在實(shí)際給煤過(guò)程中煤炭會(huì)被打碎，筆者采用內(nèi)切球優(yōu)化法構(gòu)建煤料的顆粒模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶上煤料負(fù)載的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能模型及效果分析

當(dāng)前帶式輸送機(jī)主要采用恒速控制，根據(jù)某煤礦主巷帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，筆者將其運(yùn)輸系統(tǒng)所面臨的主要問(wèn)題歸結(jié)如下：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)帶式輸送機(jī)始終恒速運(yùn)行，運(yùn)輸速度不能根據(jù)輸送帶上的實(shí)際運(yùn)量進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致其在空載或輕載狀態(tài)下能耗過(guò)大。

(2) 帶式輸送機(jī)所配置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均以保證一定余量的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用逆煤流的方向?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)。上述兩項(xiàng)因素不僅會(huì)導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的能耗較大，還會(huì)加劇輸送系統(tǒng)的機(jī)械損耗[5]。

為解決以上問(wèn)題，筆者將對(duì)影響帶式輸送機(jī)運(yùn)煤功率的主要因素進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)的節(jié)能模型，并對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估。

2.1 節(jié)能模型的建立

影響帶式輸送機(jī)功率的主要因素有主要阻力、附加阻力、提升阻力和特殊阻力。其中，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過(guò)程中的主要阻力指的是壓陷阻力、輸送帶彎曲阻力、托輥旋轉(zhuǎn)阻力、煤料的變形阻力等。附加阻力主要包括導(dǎo)料槽與帶式輸送機(jī)輸送帶之間的摩擦力和落料區(qū)煤料與帶式輸送機(jī)輸送帶之間的摩擦力，輸送帶長(zhǎng)度不同，其對(duì)應(yīng)的附加阻力也不同。提升阻力包括帶式輸送機(jī)自身重力和上傾帶來(lái)的摩擦力。特殊阻力是指帶式輸送機(jī)附加的清掃裝置、卸料裝置以及卷帶裝置運(yùn)行過(guò)程中所引發(fā)的阻力。

考慮到帶式輸送機(jī)的實(shí)際能耗與其工作環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，為了準(zhǔn)確掌握帶式輸送機(jī)的能耗情況，本文將采用 MATLAB 軟件對(duì) 2個(gè)不同工況下的能耗進(jìn)行分析，并以帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間為根本，構(gòu)建與帶式輸送機(jī)輸送帶寬度、物料密度、輸送帶補(bǔ)償長(zhǎng)度以及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)的能耗模型。為達(dá)到節(jié)能智能控制的目的，采用雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略，具體如圖 2 所示。

由圖 2 可知，雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略包括兩部分，一部分為基于漸消記憶遞推最小二乘法，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)；另一部分為對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)控制，保證輸送帶速度能根據(jù)煤量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2.2 節(jié)能效果分析

根據(jù)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)量及負(fù)載的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并采用雙層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略對(duì)其進(jìn)行控制，達(dá)到的節(jié)能效果如表 2 所列。

表2 帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制節(jié)能效果Tab.2 Energy-saving effects of dynamic optimization control for belt conveyor

由表 2 可以看出，采用帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后，節(jié)能效率最高可達(dá) 15.88%。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，按照所預(yù)測(cè)的工況對(duì)帶速進(jìn)行控制，其加速度最大不超過(guò) 0.3 m/s2，加速度值較小，在很大程度上避免了帶式輸送機(jī)輸送帶打滑甚至斷帶故障的發(fā)生，極大地提升了帶式輸送機(jī)調(diào)速的安全性和可靠性。

3 帶式輸送機(jī)功率平衡智能控制功能的實(shí)現(xiàn)及仿真分析

隨著煤礦生產(chǎn)工作面機(jī)械化水平不斷提升，工作面巷道不斷深入，對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸距離、運(yùn)量以及運(yùn)輸速度等均提出了更高的要求。傳統(tǒng)單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，目前主要采用雙電動(dòng)機(jī)或三電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，除了需要實(shí)現(xiàn)上述節(jié)能智能化控制外，還急需實(shí)現(xiàn)功率平衡控制。

3.1 帶式輸送機(jī)功率不平衡問(wèn)題分析

對(duì)于多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)而言，由于其本身驅(qū)動(dòng)單機(jī)的差異性、設(shè)備安裝誤差以及實(shí)際生產(chǎn)中的負(fù)載不均勻等問(wèn)題，難免出現(xiàn)功率不平衡。若不及時(shí)解決，極易導(dǎo)致其中 1個(gè)或 2個(gè)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)載，進(jìn)而使其燒毀。因此，解決帶式輸送機(jī)的功率不平衡問(wèn)題，不僅有利于綜采工作面的安全生產(chǎn)，而且對(duì)于保證運(yùn)輸效率具有重要意義。經(jīng)分析可將影響帶式輸送機(jī)功率平衡的因素總結(jié)如下：

(1) 各傳動(dòng)部件的效率和傳動(dòng)比；

(2) 輸送帶拉伸強(qiáng)度；

(3) 在長(zhǎng)期的運(yùn)輸任務(wù)中，滾筒粘上物料或出現(xiàn)不同程度的磨損，造成滾筒直徑不同程度增大或減小。

雖然當(dāng)前采用的主從控制可在一定程度上緩解功率不平衡的問(wèn)題，但該方式僅能夠依據(jù)主電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)從電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，而從電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不會(huì)反饋至主電動(dòng)機(jī)?？偟膩?lái)講，傳統(tǒng)主從控制的精度偏低，無(wú)法徹底消除帶式輸送機(jī)的功率不平衡問(wèn)題。因此，筆者提出基于速度補(bǔ)償理念實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)功率平衡控制的策略，如圖 3 所示。

3.2 智能化模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的主從控制方式主要采用 PID 控制器，雖然控制精度較高，但在整個(gè)控制過(guò)程中超調(diào)量較大，穩(wěn)定性較差。而且，傳統(tǒng) PID 控制器的自適應(yīng)能力較差，對(duì)于工況負(fù)載、載荷變化頻繁的帶式輸送機(jī)而言，其最終的控制效果無(wú)法從根本上解決功率不平衡的問(wèn)題。因此，筆者設(shè)計(jì)了一款智能化模糊 PID 控制器以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的快速穩(wěn)定響應(yīng)。

智能化模糊 PID 控制器是指在傳統(tǒng) PID 控制器的基礎(chǔ)上，引入模糊控制算法，對(duì) PID 控制器的比例、積分以及微分 3個(gè)環(huán)節(jié)的系數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，使其能夠根據(jù)帶式輸送機(jī)的工況對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 智能化模糊 PID 控制效果仿真分析

為驗(yàn)證智能化模糊 PID 控制器與傳統(tǒng) PID 控制器的控制效果，基于 Simulink 軟件建立仿真模型，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

3.3.1 仿真模型建立

筆者所研究的帶式輸送機(jī)采用雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，2個(gè)電動(dòng)機(jī)型號(hào)相同，參數(shù)一致。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中2個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率比為 1∶1。在建立模型時(shí)需要參考電動(dòng)機(jī)參數(shù)，如表 3 所列。

表3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.3 Parameters of drive motor

分別根據(jù)主從控制策略和基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗越?Simulink 仿真模型，并將模型中電動(dòng)機(jī)的參數(shù)依據(jù)表 3 進(jìn)行設(shè)置。其中，主從控制策略中采用傳統(tǒng) PID 控制器，比例環(huán)節(jié)系數(shù)為 0.12，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為 0.001，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為 0.5；基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗圆捎弥悄芑：?PID 控制器，能夠根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際工況對(duì)比例、積分及微分 3個(gè)環(huán)節(jié)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)定帶式輸送機(jī)在空載工況下啟動(dòng)，在仿真時(shí)刻為 0.30 s 時(shí)分別對(duì) 2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)施加不同的負(fù)載，其中頭部驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載為 20 N·m，尾部驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載為 15 N·m；在仿真時(shí)刻為 0.60 s 時(shí)引入功率平衡控制策略。本次仿真對(duì)引入功率平衡控制策略后 2個(gè)電動(dòng)機(jī)的電流變化進(jìn)行對(duì)比，電流可以直接反應(yīng)功率的變化趨勢(shì)，仿真結(jié)果如圖 4 所示。

由圖 4 可知，傳統(tǒng) PID 控制器需要 0.12 s 達(dá)到雙電動(dòng)機(jī)的功率平衡控制，在控制過(guò)程中電流的最大超調(diào)量為 3.58%；而智能化模糊 PID 控制器僅需要 0.04 s 即可達(dá)到雙電動(dòng)機(jī)的功率平衡控制，且在控制過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電流的最大超調(diào)量為 0.005 4%。

綜合分析，與采用傳統(tǒng) PID 控制器的主從控制策略相比，采用智能化模糊 PID 控制器實(shí)施基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗跃哂懈斓捻憫?yīng)速度、較小的超調(diào)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的高精度功率平衡控制，尤其適用于煤礦綜采工作面復(fù)雜工況下帶式輸送機(jī)的智能化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

基于帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制需求和多電動(dòng)機(jī)的功率平衡控制需求，開(kāi)展帶式輸送機(jī)智能化控制設(shè)計(jì)，并對(duì)控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)如下：

(1) 采用 CMSV500 防爆三維激光掃描儀并構(gòu)建負(fù)載預(yù)測(cè)模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)量的精準(zhǔn)掌握；

(2) 采用帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略后，節(jié)能效率最高可達(dá) 15.88%，其加速度最大不超過(guò) 0.3 m/s2，加速度值較小，在很大程度上避免了帶式輸送機(jī)輸送帶打滑甚至斷帶故障的發(fā)生，極大提升了帶式輸送機(jī)調(diào)速的安全性和可靠性；

(3) 采用基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗裕⒁胫悄芑：?PID 控制器，響應(yīng)速度更快，且在整個(gè)控制過(guò)程中超調(diào)量較小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的高精度功率平衡控制。