基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機(jī)調(diào)速控制研究

史瑞姣

（潞安化工寺家莊公司， 山西 晉中 045300）

0 引言

在綜采工作面復(fù)雜的工作環(huán)境下，存在刮板機(jī)上塊煤掉落或工作面煤壁片幫現(xiàn)象，在采煤機(jī)正常截割作業(yè)的過程中，刮板輸送機(jī)上的負(fù)載煤量總是處于不斷變化狀態(tài)，很容易出現(xiàn)刮板輸送機(jī)的超載停機(jī)狀況，也會經(jīng)常出現(xiàn)因刮板機(jī)輕載運(yùn)行而造成的電能損耗現(xiàn)象。因此，基于刮板輸送機(jī)不同負(fù)載下的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能使刮板輸送機(jī)的速度保持在合理運(yùn)行范圍，實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行效果。

1 71507 工作面概況及刮板輸送機(jī)運(yùn)行原理

某礦71507 綜采工作面進(jìn)行機(jī)械化開采作業(yè)，工作面走向長度1 260 m、傾斜長度為180 m，煤層傾角2°～8°，采高2.3～3 m。該綜采工作面采煤機(jī)選用MG300/70QWD，牽引速度0～14 m/min，刮板輸送機(jī)選用SGZ-800/250 型號，采用雙速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，并與SZZ-800/250 型號轉(zhuǎn)載機(jī)、SSJ-1000/2×200 型號皮帶機(jī)、PC160 破碎機(jī)共同構(gòu)成綜采面輸送系統(tǒng)，其中刮板輸送機(jī)參數(shù)如表1 所示。

刮板輸送機(jī)是常用的綜采工作面用于煤炭運(yùn)輸?shù)臓恳O(shè)備，其運(yùn)行原理是通過電動機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動聯(lián)軸器、減速器將運(yùn)行動力輸送給刮板鏈輪輪組，然后由輪組帶動刮板鏈完成循環(huán)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)煤炭的裝運(yùn)及卸載功能。而基于負(fù)載預(yù)測的刮板機(jī)調(diào)速控制本質(zhì)是在采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)合理運(yùn)行速度范圍之內(nèi)，保障刮板輸送機(jī)的負(fù)載處于設(shè)定范圍，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的高效持續(xù)運(yùn)行。

2 刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

2.1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案

在綜采工作面開采作業(yè)過程中，刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)處于協(xié)同作業(yè)狀態(tài)，分別負(fù)責(zé)運(yùn)煤及采煤工作。但由于井下惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，存在刮板機(jī)上塊煤掉落現(xiàn)象，在采煤機(jī)正常截割作業(yè)的過程中，刮板輸送機(jī)上的負(fù)載煤量也是處于不斷變化狀態(tài)，很容易出現(xiàn)刮板輸送機(jī)的超載停機(jī)狀況。因此基于刮板輸送機(jī)不同負(fù)載下的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能使刮板輸送機(jī)的速度保持在合理運(yùn)行范圍，實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行效果。

刮板輸送機(jī)的速度調(diào)節(jié)主要是通過PLC 控制器和變頻器來實(shí)現(xiàn)，兩者之間的雙向通信效果可以通過Profibus-DP 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。在采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同運(yùn)行過程中，刮板輸送機(jī)承受負(fù)載的多少主要取決于采煤機(jī)截割速度的快慢，采煤機(jī)連續(xù)進(jìn)行截割作業(yè)，刮板輸送機(jī)也就正常循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)輸送煤炭。但井下特殊工況下如發(fā)生煤壁片幫、塊煤掉落以及綜采工作面煤層高低起伏等，都會影響到刮板輸送機(jī)上的煤量多少。而且刮板輸送機(jī)體積龐大，對速度調(diào)節(jié)上也存在著一定的滯后性，承載煤量也存在著累計特征。因此，刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度對承載載荷的影響也有一定延時效果。刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)在運(yùn)行過程中也應(yīng)起到相互配合影響作用，通過兩者的協(xié)同調(diào)速，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的正常生產(chǎn)過程。當(dāng)刮板輸送機(jī)承載煤量較多時，應(yīng)適當(dāng)加快刮板輸送機(jī)牽引速度，而當(dāng)速度已達(dá)到最大時就應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)采煤機(jī)的截割速度，降低截割煤量從而調(diào)整刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸狀態(tài)；反之，刮板輸送機(jī)承載煤量較少時，就可適當(dāng)降低刮板輸送機(jī)的牽引速度節(jié)省成本，或增加采煤機(jī)的截割速度進(jìn)行高效開采生產(chǎn)。因此，根據(jù)刮板輸送機(jī)負(fù)載的表征值，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)來對隨后刮板機(jī)的負(fù)載量進(jìn)行預(yù)測，減少滯后性帶來的影響，是預(yù)測調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，調(diào)速方案如圖1 所示[1]。

圖1 基于刮板輸送機(jī)負(fù)載預(yù)測調(diào)速方案

2.2 調(diào)速系統(tǒng)整體設(shè)計

基于負(fù)載預(yù)測實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)的調(diào)速控制，首先就要實(shí)現(xiàn)對井下刮板機(jī)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)的采集功能，通過設(shè)置各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析刮板輸送機(jī)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的同時，依據(jù)刮板輸送機(jī)承受載荷的情況進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整。刮板輸送機(jī)作為煤炭運(yùn)輸?shù)臓恳O(shè)備，其轉(zhuǎn)速越高煤炭的開采效率就越高，但刮板輸送機(jī)長時間保持高速運(yùn)行狀態(tài)下，不但會威脅到設(shè)備的使用壽命，而且也造成了資源上的浪費(fèi)。因此需要基于負(fù)載預(yù)測對刮板輸送機(jī)速度進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，其控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分三部分：數(shù)據(jù)采集部分，通過在刮板輸送機(jī)機(jī)頭以及機(jī)尾處布設(shè)溫度傳感器，并在采煤機(jī)上布設(shè)軸編碼器、電流互感器等對設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通信部分，主要是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上地面控制中心進(jìn)行傳輸，通過無線網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)分析處理部分，通過可編程控制器以及上位機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而得到刮板輸送機(jī)的輸入速率值[2]。

2.3 模糊PID 控制器設(shè)計

通過模糊PID 控制方法，實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)牽引速度的反饋調(diào)節(jié)，PID 控制因?yàn)槠湓砗唵危瑓?shù)可進(jìn)行隨時調(diào)節(jié)，因此在工業(yè)領(lǐng)域較為常用。作為一種線性控制器，PID 通過偏差原理實(shí)現(xiàn)控制效果，通過設(shè)定值r（t）與變量y（t）值之間的偏差通過比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)線性組合成控制量，并輸出作用與執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)對控制對象的調(diào)節(jié)效果，如圖3 所示，是一種閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)[3]。

圖3 PID 控制原理示意圖

其中模糊控制是一種非線性控制，通過在系統(tǒng)較復(fù)雜無法用準(zhǔn)確數(shù)學(xué)關(guān)系表征時，影響因子較多時進(jìn)行模擬人為模糊推理，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制。模糊控制器主要由模糊化、規(guī)則庫、模糊推理以及解模糊化四個步驟。其中模糊化就是將輸入量轉(zhuǎn)化為可識別的模糊量；規(guī)則庫是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)立模糊控制器規(guī)則；模糊推理是實(shí)現(xiàn)輸入量的推理決策；解模糊量是將輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量進(jìn)行輸出，并進(jìn)行后續(xù)執(zhí)行。

3 基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機(jī)調(diào)速控制

在該系統(tǒng)中，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)PLC 控制器，變頻調(diào)速系統(tǒng)，負(fù)載電流互感器構(gòu)成刮板輸送機(jī)的負(fù)載電流閉環(huán)系統(tǒng)。通過對采煤機(jī)- 刮板輸送機(jī)采用模糊PID 控制進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的處理后，刮板輸送機(jī)PLC可以根據(jù)采集到的負(fù)載電流，通過對實(shí)時電流值與歷史記錄值進(jìn)行對比，兩者的差值作為協(xié)同控制系統(tǒng)的輸入值，并利用模糊PID 控制板塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的偏差值做為執(zhí)行單元的執(zhí)行信號，從而實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)負(fù)載電流的調(diào)節(jié)效果，使其保持在一定范圍之內(nèi)變化[4]，具體流程如圖4 所示。

圖4 PID 模糊控制下的協(xié)同控制流程

如圖4 所示，根據(jù)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)在協(xié)同運(yùn)行過程中的速度進(jìn)行判斷，若滿足速度調(diào)節(jié)要求，則先進(jìn)行采煤機(jī)設(shè)備的模糊PID 調(diào)速，此時若采煤機(jī)速度調(diào)節(jié)已超出±18%范圍，則采煤機(jī)速度不再變化，啟用刮板輸送機(jī)的模糊PID 調(diào)速過程。其中PLC 控制器可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流值的實(shí)時監(jiān)控效果，若電流值超出調(diào)節(jié)規(guī)劃范圍，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)- 刮板輸送機(jī)的協(xié)同調(diào)速效果，則可退出程序。

4 效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)負(fù)載預(yù)測下的刮板機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行的有效性，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。將采煤機(jī)速度調(diào)節(jié)至恒定4.5 m/min，刮板輸送機(jī)牽引速度1.25 m/s，對綜采工作面20～70 m 長度進(jìn)行截割作業(yè)，并對刮板機(jī)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。結(jié)果表明，利用該調(diào)速控制系統(tǒng)，刮板輸送機(jī)的負(fù)載電流基本保持在設(shè)定范圍之內(nèi)，采煤機(jī)與刮板機(jī)的牽引協(xié)同性較好，刮板輸送機(jī)輕載、超載現(xiàn)象大幅減少，達(dá)到了節(jié)省電能，高效輸送的目的，降低了井下工人清掃浮煤的工作量，提供了綜采設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。