基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉 寰，楊 挺，張瑞益，李小臘

(榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

刮板輸送機(jī)是煤礦工作面中的三大裝備之一，隨著煤礦開采效率的不斷提高，刮板輸送機(jī)的功率越來越大[1]。刮板輸送機(jī)的主要作用是將采煤機(jī)開采的煤礦資源進(jìn)行收集并輸送，同時(shí)為采煤機(jī)的移動(dòng)提供軌道支撐。所以，整個(gè)煤礦開采過程中，刮板輸送機(jī)需要長時(shí)間連續(xù)工作，不可避免地會(huì)消耗大量的電力能源[2]。在我國大力倡導(dǎo)節(jié)能減排和努力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，如何降低采煤裝備的能源消耗是煤礦企業(yè)急需解決的問題，也是煤礦領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢[3]。利用先進(jìn)技術(shù)對刮板輸送機(jī)的負(fù)載大小進(jìn)行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使運(yùn)行速度與負(fù)載大小相匹配，能極大地減小設(shè)備運(yùn)行的能源消耗[4]。以SGZ1250/2400型刮板輸送機(jī)為研究對象，通過對其負(fù)載大小進(jìn)行預(yù)測，并基于變頻調(diào)速技術(shù)對其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)控，在工程實(shí)踐中取得了良好的效果，對于提升刮板輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性、促進(jìn)采煤領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

刮板輸送機(jī)是采煤工作面三機(jī)裝備中的重要構(gòu)成部分之一。本文以煤礦中常用的SGZ1250/2400型刮板輸送機(jī)為對象進(jìn)行分析與研究。刮板輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Main structure diagram of scraper conveyor

該型號(hào)設(shè)備每小時(shí)可以輸送煤炭3 750 t，設(shè)計(jì)工作長度為350 m，共設(shè)置有2部電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每部電機(jī)功率為1 200 kW，正常工作時(shí)電壓為3 300 V，中部槽規(guī)格尺寸為1 750 mm×1 250 mm×367 mm，刮板之間的距離為912 mm。

由圖1可知，設(shè)備主要由傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)身本體兩大部分構(gòu)成，其中傳動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、減速器等，機(jī)身本體包括刮板鏈、鏈輪、中部槽、刮板等[5]。

煤礦工作面三機(jī)裝備工作時(shí)，由采煤機(jī)開采獲得的煤炭會(huì)落到刮板輸送機(jī)上。刮板輸送機(jī)工作時(shí)，由電機(jī)提供動(dòng)力來源，經(jīng)過液力耦合器、減速器后，通過主軸將動(dòng)力輸入到鏈輪中，鏈輪與刮板鏈通過嚙合方式驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)刮板鏈作循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刮板鏈與中部槽連接帶動(dòng)中部槽運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煤礦物料的運(yùn)輸[6]。采煤是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，開采得到的煤炭質(zhì)量時(shí)多時(shí)少。如果刮板輸送機(jī)長時(shí)間以額定速度運(yùn)行，必然造成能源浪費(fèi)。設(shè)備的負(fù)載與其驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流之間存在直接關(guān)系，負(fù)載越大則電機(jī)的電流越大。因此，可以通過電機(jī)電流來預(yù)測設(shè)備的負(fù)載大小，進(jìn)而對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到降低電能消耗的效果。

2 輸送機(jī)調(diào)速方案和預(yù)測方法選擇

2.1 調(diào)速方案確定

采煤過程不可能完全均勻進(jìn)行，刮板輸送機(jī)輸送的煤炭質(zhì)量一般會(huì)隨時(shí)間變化。通過對設(shè)備負(fù)載進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對設(shè)備輸送速度進(jìn)行調(diào)整控制，能確保設(shè)備處于最佳狀態(tài)，不僅能提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，還能節(jié)省電力消耗[7]?；谪?fù)載預(yù)測的刮板輸送機(jī)調(diào)速方案框如圖2所示。

圖2 基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機(jī)調(diào)速方案Fig.2 Speed regulation scheme of scraper conveyor based on load prediction

由圖2可知，系統(tǒng)工作時(shí)，首先需要對刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中的電機(jī)電流以及實(shí)際負(fù)載大小進(jìn)行檢測，通過對數(shù)據(jù)的分析，確定電機(jī)電流與實(shí)際負(fù)載之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)分析中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刮板輸送機(jī)的負(fù)載大小進(jìn)行預(yù)測。對負(fù)載進(jìn)行預(yù)測時(shí)，需要使用的數(shù)據(jù)包括電機(jī)電流、齒輪嚙合頻率幅值等。利用該項(xiàng)技術(shù)能提前預(yù)測刮板輸送機(jī)的負(fù)載，并下達(dá)指令對設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，能有效規(guī)避傳統(tǒng)控制系統(tǒng)調(diào)速過程的滯后性。

在對刮板輸送機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，采用模糊PID控制技術(shù)。此技術(shù)屬于閉環(huán)控制，對速度進(jìn)行調(diào)整時(shí)，需要不斷地對電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果作為反饋，直到實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與理想的轉(zhuǎn)速相同時(shí)才停止，因此具有較高的控制精度。齒輪嚙合頻率幅值可以很好地反映設(shè)備運(yùn)行時(shí)負(fù)載的波動(dòng)情況，若頻率幅值過大，說明設(shè)備運(yùn)行速度相對較高，需要采取措施降低其運(yùn)行速度；若頻率幅值過小，說明設(shè)備的速度相對較低，需要下達(dá)指令提升其運(yùn)行速度。

2.2 負(fù)載預(yù)測方法選擇及其驗(yàn)證

刮板輸送機(jī)的負(fù)載大小既有周期性特點(diǎn)，同時(shí)具備短時(shí)性特征。刮板輸送機(jī)工作時(shí)某時(shí)刻齒輪裂合頻率幅值與前期頻率幅值之間存在一定關(guān)系。通過對前段時(shí)間的電機(jī)電流以及齒輪嚙合頻率幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并利用設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，可以預(yù)測某時(shí)刻設(shè)備的負(fù)載大小[8]?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刮板輸送機(jī)負(fù)載預(yù)測基本工作流程如圖3所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為某時(shí)刻前段時(shí)間的電機(jī)電流和齒輪嚙合頻率幅值，輸出結(jié)果為某時(shí)刻設(shè)備的負(fù)載大小。

由圖3可知，整個(gè)工作流程可分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立、模型訓(xùn)練以及模型驗(yàn)證。輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)可分為訓(xùn)練集和測試集。訓(xùn)練集的作用是對網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練后設(shè)置權(quán)值大小，測試集的作用是對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行檢測，確保模型精度。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程分為向前傳播和反向傳播兩種形式，向前傳播過程是對模型中的各種權(quán)值進(jìn)行確定，反向傳播過程是對確定的各項(xiàng)權(quán)值進(jìn)行驗(yàn)證更新。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時(shí)會(huì)將訓(xùn)練結(jié)果與理想結(jié)果進(jìn)行對比，直到兩者之間的差值在系統(tǒng)設(shè)定的誤差范圍以內(nèi)時(shí)才停止訓(xùn)練。因此，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對負(fù)載進(jìn)行預(yù)測具有良好的預(yù)測精度。

圖3 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載預(yù)測流程Fig.3 Load forecasting flow based on convolutional neural network

為了對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度進(jìn)行驗(yàn)證，對刮板輸送機(jī)不同時(shí)刻的齒輪嚙合頻率幅值進(jìn)行了預(yù)測，并將其與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比，齒輪嚙合頻率幅值能反映刮板輸送機(jī)的實(shí)際負(fù)載大小，相關(guān)結(jié)果及兩者之間的誤差情況如圖4所示。

圖4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對比Fig.4 Comparison between convolutional neural network prediction results and actual results

由圖4可知，頻率幅值的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間具有非常好的吻合度，在開展的45次測試中，兩者之間的最大誤差為9.5%，平均誤差為4.38%。誤差在可以接受的范圍內(nèi)，能夠滿足調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。

3 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 調(diào)速控制原理

利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對齒輪嚙合頻率幅值進(jìn)行預(yù)測后，需要利用調(diào)速系統(tǒng)對刮板輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相匹配。刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本工作流程如圖5所示。

圖5 刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作流程Fig.5 Working process of speed control system of scraper conveyor

由圖5可知，獲得齒輪嚙合頻率目標(biāo)值后，控制系統(tǒng)啟動(dòng)主動(dòng)控制程序?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析對比，并下達(dá)控制信號(hào)通過Profibus_DP傳入變頻器中，變頻器根據(jù)控制指令對輸出的電壓頻率進(jìn)行調(diào)整。異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電壓頻率之間存在緊密聯(lián)系，通過電壓頻率的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。在整個(gè)調(diào)速控制過程中，需要實(shí)時(shí)采集減速器齒輪嚙合實(shí)際頻率，并將結(jié)果反饋到主控制程序中，直到減速器齒輪嚙合頻率實(shí)際結(jié)果與目標(biāo)值相匹配，兩者之間的誤差在系統(tǒng)設(shè)定的誤差范圍以內(nèi)時(shí)為止，至此整個(gè)調(diào)速過程結(jié)束。

3.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊PID控制是將PID控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，形成復(fù)合控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮2種控制技術(shù)的優(yōu)勢，提升調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性以及控制精度[9]。模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)原理框如圖6所示。該控制器需要給定2個(gè)輸入量，經(jīng)過處理后輸出3個(gè)結(jié)果，中間基于模糊控制的思想對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中模糊控制部分包含4個(gè)內(nèi)容，分別為規(guī)則庫、模糊化、模糊推理以及解模糊化。

圖6 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Structure principle of fuzzy PID controller

圖6中，2個(gè)輸入量分別是某時(shí)刻齒輪嚙合幅值預(yù)測值與實(shí)際值的偏差以及偏差化率，根據(jù)以上結(jié)果進(jìn)行模糊化處理后，可以輸出PID控制中的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即比例因子KP、積分因子KI和微分因子KD?？刂破髟谶\(yùn)行中可以根據(jù)下式對3個(gè)輸出因子進(jìn)行在線調(diào)整：

KP=KP0+ΔKP

KI=KI0+ΔKI

KD=KD0+ΔKD

式中，KP和ΔKP分別為比例因子的初始值以及在線調(diào)整量；KI和ΔKI分別為積分因子的初始值以及在線調(diào)整量；KD和ΔKD分別為微分因子的初始值以及在線調(diào)整量。

在設(shè)定模糊控制器規(guī)則庫時(shí)，根據(jù)輸入?yún)?shù)，可以對PID控制器中的3個(gè)輸出因子作如下調(diào)整。

(1)當(dāng)嚙合頻率幅值預(yù)測值和實(shí)際值之間的偏差相對較大時(shí)，為確保調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度以及響應(yīng)速度，可以適當(dāng)降低微分因子KD并增加比例因子KP，考慮到3個(gè)因子之間的相互關(guān)系，為避免KP調(diào)整量過大引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要對KI值進(jìn)行合理設(shè)定。

(2)當(dāng)輸入的2個(gè)量變化適中時(shí)，可以將KD和KI設(shè)置在適中水平，適當(dāng)降低KP的數(shù)值，這樣能夠規(guī)避調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象。

(3)當(dāng)預(yù)測值與實(shí)際值之間的偏差相對較小時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整KP和KI，使之處在一個(gè)較大水平，目的是提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，應(yīng)該將KD控制在合理水平。

(4)當(dāng)輸入的偏差變化率相對較大時(shí)，系統(tǒng)輸出的KI應(yīng)該適當(dāng)增大，同時(shí)將KP控制在較小水平，相反如果偏差變化率相對較小時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)增加KP的輸出值，適當(dāng)降低KI的輸出值。

3.3 主控制器型號(hào)選擇

主控制器是調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心構(gòu)成部分，其性能好壞會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。系統(tǒng)主要是綜合運(yùn)用PLC控制器和變頻器對電動(dòng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，控制器與變頻器之間基于Profibus_DP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的雙向交互。PLC控制器經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前市場上有很多種型號(hào)的PLC控制器可供選擇，不同型號(hào)擁有各自的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)在充分考慮PLC控制器性能、運(yùn)行穩(wěn)定性以及成本方面因素的基礎(chǔ)上，選用S7-300型PLC控制器。該控制器在工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，且整體反映較好，完全能夠滿足礦井復(fù)雜的工況環(huán)境[10]。

S7-300型PLC控制器的結(jié)構(gòu)框如圖7所示。由圖7可知，PLC控制器采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)控制器以CPU模塊為核心，還包括電源模塊、通信模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，各個(gè)模塊具體型號(hào)見圖。由傳感器檢測得到的刮板輸送機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以模擬量形式輸入到控制器中進(jìn)行分析，系統(tǒng)的各種開關(guān)狀態(tài)會(huì)以數(shù)字量信號(hào)的形式輸入到控制器中。反過來，控制器也可下達(dá)數(shù)字量或模擬量信號(hào)指令對開關(guān)或傳感器等硬件設(shè)施進(jìn)行控制?？刂破鞑煌K對供電電壓需求存在差異，主要包含24 V和5 V兩種電壓，電源模塊的作用是將外界輸入的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出2種電壓以供不同模塊使用，保證各模塊能夠正常運(yùn)行。通信模塊的作用是將控制器與上位機(jī)連接，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)顯示器中進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，以便工作人員實(shí)時(shí)掌握刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。另外，工作人員也可通過上位機(jī)輸入控制指令，并通過通信模塊下達(dá)到PLC控制器中，控制器根據(jù)指令對刮板輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)整控制，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。

圖7 S7-300型PLC控制器的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of S7-300 PLC controller

4 應(yīng)用效果分析

為了對設(shè)計(jì)的基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，將其應(yīng)用到刮板輸送機(jī)工程實(shí)踐中。目前調(diào)速系統(tǒng)在工程中已應(yīng)用3個(gè)月，使用期間對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行觀察記錄。根據(jù)現(xiàn)場人員反饋，發(fā)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，系統(tǒng)可以根據(jù)刮板輸送機(jī)電機(jī)的電流大小對其負(fù)載進(jìn)行精確預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對其速度進(jìn)行調(diào)整控制，達(dá)到了節(jié)能減排的效果，刮板輸送機(jī)的電能消耗量與前期相比有了大幅度降低。調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用前后刮板輸送機(jī)的電耗統(tǒng)計(jì)情況如圖8所示。

圖8 調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用前后刮板輸送機(jī)的電耗情況統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of power consumption of scraper conveyor before and after application of speed regulation system

由圖8可知，相同時(shí)間內(nèi)，刮板輸送機(jī)定速運(yùn)行時(shí)，輸送原煤63 923.81 t，電能消耗114 720 kWh。應(yīng)用調(diào)速系統(tǒng)后相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸煤炭74 213.57 t，電能消耗114 640 kWh。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到，系統(tǒng)應(yīng)用前和應(yīng)用后的噸煤電能消耗量分別為1.79、1.55 kWh/t?？梢姡{(diào)速系統(tǒng)的使用使刮板輸送機(jī)的電能消耗量出現(xiàn)了明顯降低，降低幅度達(dá)13.4%，為企業(yè)節(jié)省了大量的電能支出成本。

另外，調(diào)速系統(tǒng)的投入使用使刮板輸送機(jī)無需長時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，各機(jī)械零部件之間的磨損現(xiàn)象出現(xiàn)了一定程度地降低，使得設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性提升，故障率降低。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障率降低了10%左右，在保障設(shè)備運(yùn)行安全的同時(shí)，還可以為企業(yè)節(jié)省一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

以煤礦中的SGZ1250/2400型刮板輸送機(jī)為對象，設(shè)計(jì)了基于負(fù)載預(yù)測的調(diào)速控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，效果良好。

(1)根據(jù)某時(shí)刻刮板輸送機(jī)電機(jī)電流以及齒輪嚙合頻率幅值數(shù)據(jù)信息，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)實(shí)際負(fù)載大小的預(yù)測，經(jīng)過實(shí)踐測試發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果具有相對較高的精度，平均誤差只有4.38%。

(2)完成刮板輸送機(jī)負(fù)載預(yù)測后，利用模糊PID控制技術(shù)對設(shè)備的實(shí)際速度進(jìn)行調(diào)整控制，使之與實(shí)際的煤礦輸送量相匹配。此技術(shù)充分結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)勢，形成了一個(gè)復(fù)合控制系統(tǒng)。

(3)主控制器選用S7-300型PLC控制器，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括電源模塊、CPU模塊和各類信號(hào)輸入或輸出模塊等。配合變頻器可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的有效控制。

(4)將設(shè)計(jì)的調(diào)速方案應(yīng)用到煤礦工程中，經(jīng)過3個(gè)月現(xiàn)場測試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以對設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使設(shè)備故障率降低了10%左右，電能消耗降低了13.4%左右，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。