程志原

（太原煤氣化爐峪口煤礦，山西 太原 030402）

引言

為了提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率，可建立一套基于載荷信息的控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)在不需要人工操作的情況下對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)運(yùn)輸負(fù)載較小時(shí)刮板輸送機(jī)可以減速運(yùn)行，在沒有負(fù)載的情況下還可進(jìn)行待機(jī)，由此不僅可以極大地降低刮板輸送機(jī)的能耗，而且可以最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化的操作[1]。

1 綜采面的協(xié)同工作過程

在井下煤炭開采中，刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架三者之間協(xié)同配合，如圖1 所示。采煤機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)煤巖進(jìn)行截割、破碎，在工作面內(nèi)可對(duì)一定空間范圍內(nèi)的煤炭進(jìn)行截割；刮板輸送機(jī)主要負(fù)責(zé)將采煤機(jī)截割、破碎的煤炭源源不斷地往外輸送，需要不斷地根據(jù)煤炭的運(yùn)載量進(jìn)行調(diào)節(jié)其輸送速度；液壓支架主要負(fù)責(zé)對(duì)工作面的支撐，確保作業(yè)設(shè)備與人員的安全。

圖1 綜采面協(xié)同作業(yè)示意圖

為了保障井下作業(yè)人員的安全，在刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)之間設(shè)置有互鎖功能，確保兩種設(shè)備可以同時(shí)開啟與關(guān)閉，防止刮板輸送機(jī)停機(jī)時(shí)，采煤機(jī)仍在工作，只有在兩者相互協(xié)調(diào)配合才能確保煤礦開采的順利進(jìn)行，保障人員與設(shè)備的安全[2]。

2 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、高度偶合的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架

根據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以分為三層：首先是數(shù)據(jù)采集層，即在設(shè)備上布置信號(hào)傳感器，獲取相關(guān)參數(shù)信息，數(shù)據(jù)采集層主要包括各類傳感器、編碼器、電流互感器等；其次是通信層，主要實(shí)現(xiàn)將所采集的井下信號(hào)通過信號(hào)傳輸設(shè)備輸送至地面控制中心，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)；最后是數(shù)據(jù)處理層，結(jié)合可編程控制器以及上位計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷[3]。

3 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1 傳感器的選型

要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)刮板輸送機(jī)載荷進(jìn)行速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，就必須對(duì)刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備的工況參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。傳感器可以將溫度、速度等物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)則可以得到快速的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)系統(tǒng)性能需求選擇傳感器型號(hào)，要求設(shè)備應(yīng)適用于井下工作環(huán)境，具有較好的可靠性。圖3 所示即為本系統(tǒng)中所選取的溫度傳感器、電流互感器、軸編碼器的實(shí)物圖。

圖3 部分硬件選型實(shí)物圖

溫度傳感器是一種GWP200的礦用本安型拆插入式溫度傳感器，被安裝在刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾處，用來測(cè)量電動(dòng)機(jī)軸承溫度。電流互感器是型號(hào)為L(zhǎng)MZ-1的礦用電流互感器，被安裝在組合開關(guān)中，用來獲取刮板輸送機(jī)的電流數(shù)據(jù)。軸編碼器是型號(hào)為VBW28的礦用軸式編碼器，被安裝于刮板輸送器的電機(jī)傳動(dòng)軸上，獲取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等信息[4]。

3.2 以太網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

綜采面工況復(fù)雜環(huán)境比較惡劣，常導(dǎo)致有線通信設(shè)備發(fā)生故障，因此結(jié)合有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式。無線Mesh 技術(shù)是下一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，具有兼容性強(qiáng)、抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)。配備KJHT500型礦用無線交換機(jī)，該交換機(jī)最大可提供200～2 000 Mbps的快速傳遞能力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)，通過搭建網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)PLC、采煤機(jī)主控制PLC、控制系統(tǒng)的PLC 之間信息的交互傳遞，如圖4 所示[5]。

圖4 基于刮板輸送機(jī)負(fù)載調(diào)速系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖

4 載荷識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分類，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)建過程可以被簡(jiǎn)單概況為如下三步[6]：

1）分析數(shù)據(jù)的采樣、收集與整理。由于算法本身基于離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此需要對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣。

2）對(duì)分析樣本進(jìn)行集約化處理。在減小樣本容量的同時(shí)可提高算法的識(shí)別度，即構(gòu)建識(shí)別參數(shù)的決策表。

3）根據(jù)整理得到的決策表，再提起隱藏于其中的規(guī)律，并以此作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。這一步對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練尤為重要，對(duì)后期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)判斷具有重要影響。

4）構(gòu)建起基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的模式識(shí)別系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 載荷識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 調(diào)速系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行了不斷調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了基于負(fù)載的刮板輸送機(jī)的調(diào)速與控制。在軟件系統(tǒng)的主界面，顯示了刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、載荷、溫度等。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的預(yù)測(cè)模型和調(diào)速模型，對(duì)刮板輸送機(jī)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歸類總結(jié)出刮板運(yùn)行的特點(diǎn)，以及轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)刮板轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)控。