煤礦帶式輸送機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)研究

位曉林

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司田陳煤礦，棗莊 277000）

煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)行環(huán)境極其復(fù)雜，其粉塵和煙霧濃度較高，需要借助智能化技術(shù)實時監(jiān)測環(huán)境并進(jìn)行控制，為輸送機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供支持[1]。智能控制技術(shù)能夠自動同步調(diào)整帶式輸送機(jī)的輸出功率和運(yùn)行速度，確保運(yùn)行參數(shù)處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，使煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率達(dá)到相對平衡。

1 煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

煤礦帶式輸送機(jī)肩負(fù)著礦井原煤的輸出任務(wù)，如果帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障問題，就會影響整個生產(chǎn)線的開采進(jìn)度。因此，帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況是否穩(wěn)定、高效是決定煤礦生產(chǎn)效率的重要因素。一般情況下，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中其傳動滾筒與機(jī)尾滾筒會產(chǎn)生一個環(huán)形帶，如圖1 所示。由張緊系統(tǒng)裝置提供相應(yīng)的預(yù)緊力，通過張緊裝置控制傳動滾筒的旋轉(zhuǎn)速度來調(diào)整輸送機(jī)的傳輸速度。帶式輸送機(jī)的運(yùn)行形態(tài)主要包括水平運(yùn)行和傾斜運(yùn)行兩種形式。在傾斜運(yùn)行中，為確保帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，傾角應(yīng)小于16°。隨著張緊技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的廣泛應(yīng)用，為了更好地適應(yīng)各種運(yùn)行工況，張力的控制基值越來越大。長期運(yùn)行中，帶式輸送機(jī)出現(xiàn)很多問題，如輸送機(jī)皮帶打滑跑偏、滾筒斷軸和鋼絲繩拉壞等機(jī)械故障。

圖1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程

2 煤礦帶式輸送機(jī)的智能化控制結(jié)構(gòu)

為了有效解決皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)的各種問題，提升控制系統(tǒng)的自動化程度，需要有效應(yīng)用智能化技術(shù)，自動調(diào)整輸送機(jī)的運(yùn)行狀況。智能化監(jiān)測與調(diào)控技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用，對于提升其運(yùn)輸性能和安全穩(wěn)定性具有重要意義。煤礦帶式輸送機(jī)的智能化控制結(jié)構(gòu)由監(jiān)控總站、地面控制總站和控制功能模塊組成。其中，控制功能模塊包括電機(jī)控制、速度控制和糾偏控制等。煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制結(jié)構(gòu)

3 煤礦帶式輸送機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于電流平均值法的多電機(jī)控制技術(shù)

基于電流平均值法的多電機(jī)控制技術(shù)指在傳統(tǒng)電流-轉(zhuǎn)速控制的基礎(chǔ)上，將所有驅(qū)動電機(jī)電流的平均值作為參考電流，以電機(jī)電流與參考電流之間偏差為依據(jù)調(diào)整電機(jī)功率，從而平衡帶式輸送機(jī)的運(yùn)行功率。在帶式輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)數(shù)量固定的情況下，運(yùn)用此技術(shù)能夠精確采集電流信息。此技術(shù)以周期同步轉(zhuǎn)矩（Cyclic Synchronous Torque，CST）模式作為驅(qū)動裝置的控制模式，以電機(jī)A 相電流有效值作為驅(qū)動裝置的運(yùn)行依據(jù)，通過電液比例閥調(diào)節(jié)周期同步轉(zhuǎn)矩來控制油壓、變更輸出轉(zhuǎn)矩。

在控制電機(jī)前，需要先采集帶式輸送機(jī)所有驅(qū)動電機(jī)的電流并計算平均值。計算出平均值后，對比電機(jī)實際電流與平均值，判斷實際電流是否超出標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)電機(jī)A 相電流與平均電流的差值超過平均電流的5%時，即可判定其超出標(biāo)準(zhǔn)值。若某臺電機(jī)的實際電流超出標(biāo)準(zhǔn)值，則可以通過調(diào)整周期同步轉(zhuǎn)矩的方式控制油壓和輸出扭矩，以此調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率。例如，若2#電機(jī)A 相電流偏離平均值超過5%，則可以降低2#電機(jī)的周期同步轉(zhuǎn)矩來控制油壓，實現(xiàn)延時運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 基于模糊PID 的速度同步控制技術(shù)

基于模糊比例-積分-微分（Proportional Integral Derivative，PID）的速度同步控制技術(shù)是解決煤礦運(yùn)輸期間因地質(zhì)環(huán)境、設(shè)備干擾引起的運(yùn)煤量不均勻問題的主要方法，可以規(guī)避帶式輸送機(jī)輕載或空載造成的功率浪費(fèi)，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。模糊PID 智能化控制系統(tǒng)包括PID 控制器和被控目標(biāo)。PID 控制器中的比例參數(shù)能夠控制系統(tǒng)偏差，調(diào)節(jié)比例參數(shù)能夠控制帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。積分參數(shù)關(guān)系到帶式輸送機(jī)的靜態(tài)特性，調(diào)節(jié)積分參數(shù)能夠提高系統(tǒng)精度。調(diào)節(jié)微分參數(shù)能夠控制系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在智能化控制系統(tǒng)中，模糊PID 可以進(jìn)行離散化處理，實現(xiàn)數(shù)字化閉環(huán)控制，確保帶式輸送機(jī)速度控制精度。

此技術(shù)整合了PID 控制與模糊控制的優(yōu)勢，首先可以根據(jù)煤流量確定帶式輸送機(jī)的最優(yōu)帶速，并結(jié)合傳動比計算帶式輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速。其次，將獲得的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速作為給定輸入，與傳感器采集的實際電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，輸出偏差變化率。最后，將偏差變化率輸入模糊PID 控制器，經(jīng)模糊化處理后，在模糊控制規(guī)則下模糊推理出轉(zhuǎn)速誤差，并在模糊控制器內(nèi)調(diào)整PID 控制器的比例參數(shù)、微分參數(shù)和積分參數(shù)，實現(xiàn)速度的同步控制。

在基于模糊PID 的速度同步控制過程中，設(shè)定輸入偏差變化率和輸出模糊子集為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，同時以系統(tǒng)穩(wěn)定性為前提，設(shè)置模糊控制規(guī)則。部分速度同步模糊PID 控制規(guī)則，如表1 所示。根據(jù)表1 中的規(guī)則，當(dāng)運(yùn)煤量較小時，智能控制系統(tǒng)會降低帶速以節(jié)約能耗；當(dāng)運(yùn)煤量較大時，智能控制系統(tǒng)會增加帶速，以避免帶式輸送機(jī)發(fā)生堵煤和堆煤量超限的問題。

3.3 基于PLC 的糾偏控制技術(shù)

基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的糾偏控制技術(shù)是以PLC 為核心，以位置控制為基礎(chǔ)，通過輸出脈沖量控制伺服電機(jī)，優(yōu)化帶式輸送機(jī)托輥架角度，避免平面轉(zhuǎn)彎段輸送帶跑偏[2]。在交互界面輸入帶式輸送機(jī)的槽角和抬高角度，經(jīng)過PLC 處理后發(fā)送調(diào)整指令，通過脈沖信號向伺服電機(jī)輸出運(yùn)行時間，完成角度調(diào)整。PLC 輸出的脈沖速度為伺服電機(jī)最高速度與單圈脈沖量的乘積。PLC 可以自動計算起升、推進(jìn)裝置伺服電機(jī)所需的工作時間。運(yùn)算完成后PLC 自動歸零，避免誤差累計。

基于PLC 的糾偏控制流程：上位機(jī)接收目標(biāo)抬高角和槽角角度→輸入角度分類→計算調(diào)整角度值→輸出起升量與推進(jìn)值→計算調(diào)整角度偏差→顯示當(dāng)前內(nèi)外側(cè)起升量與推進(jìn)量。首先，在控制臺輸入目標(biāo)抬高角和槽角角度，通過PLC 進(jìn)行輸入角度歸類，并根據(jù)所屬類別向內(nèi)側(cè)、中側(cè)和外側(cè)的旋轉(zhuǎn)自鎖裝置發(fā)出解鎖指令。當(dāng)調(diào)整抬高角時內(nèi)側(cè)和外側(cè)的自鎖裝置鎖緊。當(dāng)調(diào)整槽角時中側(cè)自鎖裝置鎖緊。其次，根據(jù)輸入角度獲得調(diào)整角度值，計算起升裝置的起升量、推進(jìn)裝置的推進(jìn)量和伺服電機(jī)的工作脈沖時間，并根據(jù)計算結(jié)果向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，起升裝置和推進(jìn)裝置收到指令后開始運(yùn)行。最后，通過起升裝置、推進(jìn)裝置和旋轉(zhuǎn)自鎖裝置的傳感器實時采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)并傳輸給PLC。PLC 接收數(shù)據(jù)后，自動計算實際推進(jìn)距離與計算推進(jìn)距離、實際旋轉(zhuǎn)角度與計算旋轉(zhuǎn)角度之間的差值。若差值在允許范圍內(nèi)則自動調(diào)整角度并輸出特定時期的內(nèi)部角度、中部角度、外部角度、當(dāng)前推進(jìn)量以及當(dāng)前起升量，若差值超過允許范圍則計算當(dāng)前角度與目標(biāo)角度的差值并繼續(xù)調(diào)整托輥架[3]。

4 煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 傳感器的選型和安裝

常用的帶式輸送機(jī)傳感器包括速度傳感器、張力傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、跑偏傳感器以及堆煤傳感器等[4]。速度傳感器的工作電壓為直流12 ～24 V，工作電流為5 mA。張力傳感器的工作電壓為直流15 ～24 V，工作電流為0 ～100 mA。溫度傳感器的溫度范圍為-5 ～45 ℃，精度范圍為±1 ℃。煙霧傳感器的工作電壓為直流12.5 ～18.0 V，靈敏度級別為Ⅲ級。跑偏傳感器的觸點(diǎn)電壓為交流220 V，觸點(diǎn)電流為5 A。堆煤傳感器的工作電壓為直流12 V，工作電流為0.5 A。根據(jù)煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況，在上倉輸送帶、原煤倉輸送帶輸送機(jī)頭驅(qū)動滾筒的斜上方安裝速度傳感器、煙霧傳感器和堆煤傳感器，在機(jī)頭、機(jī)尾和邊坡位置安裝跑偏傳感器，在輸送機(jī)主動滾筒位置安裝溫度傳感器。

4.2 控制界面設(shè)置

煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制界面主要用于顯示系統(tǒng)物料的屬性數(shù)據(jù)，包括帶式輸送機(jī)的原始參數(shù)、主要部件參數(shù)、設(shè)計與計算模塊以及電動機(jī)與滾筒選型等[5]。帶式輸送機(jī)的原始參數(shù)包括初選設(shè)計參數(shù)、技術(shù)參數(shù)、物理屬性和輸送機(jī)帶寬校核值。其中：初選設(shè)計參數(shù)包括帶寬、帶速、輸送能力等；技術(shù)參數(shù)包括水平機(jī)長、高差、傾斜角度、輸送機(jī)總長等；物料屬性包括名稱、松散密度、粒度、靜堆積角和運(yùn)行堆積角等；輸送機(jī)帶寬校核值包括理論帶寬、校核帶寬等。主要部件參數(shù)包括帶速、帶寬、輸送帶帶芯、托輥直徑、托輥槽角以及托輥類型等。

設(shè)計與計算模塊包括初步設(shè)計計算、計算圓周驅(qū)動力、線路計算簡圖、輸送帶校核、輸送帶張力計算。其中：計算圓周驅(qū)動力包括主要阻力、附加特種阻力和傾斜阻力等；輸送帶校核包括不打滑條件校核和垂度要求校核。電動機(jī)與滾筒選型屬于設(shè)備選型界面。在設(shè)備選型界面上，可以將智能化控制元素設(shè)置為獨(dú)立窗體，便于在帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間自動調(diào)取關(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)并進(jìn)行自動校核與維護(hù)。

實現(xiàn)控制界面的部分代碼為

5 結(jié)語

煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)具有易擴(kuò)展、高集成、多功能、好操作、可維護(hù)、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。文章在明確功能模塊、監(jiān)控主站和地面控制總站的基礎(chǔ)上，綜合利用基于電流均值法的多電機(jī)控制技術(shù)、基于模糊PID 的速度同步控制技術(shù)和基于PLC 的糾偏控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以便在不停機(jī)的情況下調(diào)整帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，降低煤礦輸送的時間成本、經(jīng)濟(jì)成本和人力成本。