衛(wèi)晉鵬

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 概 況

帶式輸送機是煤炭開采工藝環(huán)節(jié)中的關鍵運輸設備。礦井內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡劣，帶式輸送機的工作載荷變化較大，尤其是開采后剝落的煤炭物料重量在時刻發(fā)生變化。如果帶式輸送機始終按照相同輸送功率進行開展運輸作業(yè)，很容易造成輸送機的傳送帶磨損加劇甚至斷裂的情況發(fā)生，而當輸出功率小于運載力時，就會造成電能浪費。因此，以胡底煤業(yè)DTL120 型帶式輸送機為研究對象，設計出帶式輸送機智能控制運輸系統(tǒng)，控制帶式輸送機根據(jù)荷載情況適時調(diào)整輸出功率。

2 智能調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析

減少電能的消耗以及提升電機功率輸出效率是智能調(diào)速控制系統(tǒng)設計的目標。結(jié)合相關行業(yè)標準和現(xiàn)場實際工況條件，帶式輸送機的運行功率主要分為4 種類型，分別為空載功率、水平運行功率、提升功率和輔助功率等。帶式輸送機的能耗除與上述4 個功率因素有關外，還與帶式輸送機的長度、皮帶的傾角、提升高度等因素有關，其中影響能耗最大的兩個因素是煤流量和皮帶速度。

煤礦企業(yè)生產(chǎn)用電需求量較大，通常根據(jù)功率參數(shù)選型驅(qū)動電機時，出于安全冗余考慮，都會選取比帶式輸送機滿載運行時所需要的功率大1.5 倍的設備。但電機滿載輸出功率的情況較少，輕載和空載的運行時間占到整個載荷過程的85%，造成電能浪費。

3 智能控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

智能調(diào)速控制系統(tǒng)由變頻器傳輸、邏輯控制、傳感器采集三大模塊組成。變頻器實現(xiàn)皮帶和驅(qū)動電動機能夠按照自適應的方式調(diào)節(jié)自身速度；邏輯控制功能由工控機PLC 與上位機聯(lián)合實現(xiàn)，將傳感器收集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進行分析決策，控制系統(tǒng)的關鍵動作（如制動、張緊、變頻等）；超聲波及速度傳感器傳感器負責底層的數(shù)據(jù)采集工作，傳感器收集信號信息以及模擬量數(shù)據(jù)，根據(jù)配電柜的電流數(shù)據(jù)判斷帶式輸送機的瞬時功耗?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)瞬時煤炭載荷量和皮帶速度對功率進行合理調(diào)整。以模糊控制算法為核心，建立包含皮帶速度、載荷、能耗3 個關鍵量的模糊控制模型，得到載荷與皮帶速度的最優(yōu)關系，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能調(diào)速控制系統(tǒng)組成Fig.1 Intelligent speed control system composition

3.2 智能控制方案

由于不同時間段內(nèi)開采的煤流量不是均勻的，控制系統(tǒng)在檢測煤流量時，通常是前面通過后一段皮帶的煤流量，在數(shù)據(jù)采集方面存在滯后性。因此，煤流量的載荷與皮帶速度相對應的是模糊概念，應采用模糊控制算法實現(xiàn)智能調(diào)速控制。以PID 模糊控制算法為手段，將誤差e、誤差變化率∑e 作為輸入量，在控制器后段加入積分環(huán)節(jié)，實現(xiàn)模糊PID 控制。帶式輸送機的每個控制數(shù)據(jù)分為一個等級，并且每一個數(shù)據(jù)作為一個輸入量，將輸出量與輸入量對應明確的計算規(guī)則，具體智能控制流程如圖2 所示。

4 智能控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件選型

對帶式輸送機智能控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)設備進行選型，設備均應符合防水、防潮、防爆要求，能夠適應煤礦惡劣的工作環(huán)境。選取本質(zhì)安全性能優(yōu)異的GSH200 型傳感器作為速度檢測裝，變頻調(diào)速裝置選用防爆型設備，根據(jù)額定輸入電壓和輸入功率選取BPJ-500/1140V 型變頻器。選用PLC 工業(yè)控制器，型號為CPU—224XPCN。速度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)通過I/O 接口傳輸至PLC 控制系統(tǒng)，并對速度大小進行修正，使輸送量與帶速始終處于最佳比例。此外，帶式輸送機智能控制系統(tǒng)還包括激光掃描儀、液力耦合器、電動機、上位機等輔助性設備。

圖2 帶式輸送機PID模糊控制流程Fig.2 PID fuzzy control process of belt conveyor

4.2 自適應PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

利用Simulink 建立PID 控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)，如圖3 所示。建立自適應模糊PID 的仿真模型，如圖4 所示。對比分析兩種控制系統(tǒng)對帶式輸送機皮帶速度調(diào)節(jié)方面的響應速度。

從圖5 階躍響應曲線可以看出，隨著時間的推移PID 控制的超調(diào)量1.304，自適應模糊PID 控制超調(diào)量在1.081 左右，超調(diào)量更小，響應速度更快；PID 控制在11.87 s 之后達到穩(wěn)態(tài)，自適應模糊PID 控制在6.848 s 之后達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)性能更好。在16～18 s 加入干擾信號，可以發(fā)現(xiàn)自適應模糊PID 控制抗干擾能力較強。

結(jié)果表明，自適應模糊PID 控制能更好的對輸送機進行智能調(diào)速，可以解決帶式輸送機復雜系統(tǒng)非線性時變問題，改善了模糊控制穩(wěn)態(tài)精度，提高了控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。試驗結(jié)果顯示自適應模糊PID 控制能夠滿足帶式輸送機智能控制系統(tǒng)在實際工程應用中的響應特點，符合實際應用環(huán)境情況。

圖3 PID控制系統(tǒng)Fig.3 PID control system

圖4 自適應PID的仿真系統(tǒng)Fig.4 Simulation system of adaptive PID

圖5 階段響應曲線Fig.5 Phase response curve

5 結(jié) 語

根據(jù)帶式輸送機在工程的實際應用狀況，發(fā)現(xiàn)帶式輸送機的輸出功率與實際所搭載的煤炭重量不相匹配，造成了能耗的損失，降低了運輸?shù)男?。根?jù)胡底煤業(yè)DTL120 型帶式輸送機實際情況，建立了基于實時輸送量（負載） 的帶速調(diào)整系統(tǒng)。通過對帶式輸送機控制系統(tǒng)的分析，確定采用自適應模糊PID 系統(tǒng)，并進行仿真模擬，表明該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能、更快的響應速度。研究設計出的智能控制系統(tǒng)結(jié)合自適應模糊PID 系統(tǒng)提升了帶式輸送機的能耗利用率。