趙瑞祥

（晉能控股煤業(yè)集團蓋州煤礦，山西 高平 048400）

引言

刮板輸送機基本結(jié)構(gòu)由中部槽+刮板鏈條、鏈輪組件、機頭機尾電動機、機頭機尾變頻器以及機頭機尾減速器組成。機頭機尾變頻器根據(jù)中部槽中煤塊的負載驅(qū)動機頭機尾電動機運行，進而驅(qū)動中部槽刮板鏈條運行，將鏈條上的煤塊運輸至轉(zhuǎn)載破碎機。刮板輸送機的結(jié)構(gòu)中還包括為采煤機提供往復運行的軌道以及導向裝置，保證采煤機的正確行走；還包括為液壓支架提供推溜的支點，使得液壓支架能夠完成推溜動作，使得采煤機、液壓支架以及刮板輸送機沿工作面推進方向前進[1-2]。刮板輸送機負載自適應控制問題，可表述為采煤機牽引運行時，刮板輸送機鏈速需協(xié)同調(diào)速，否則會出現(xiàn)刮板輸送機超載或輕載的問題。傳統(tǒng)煤礦用刮板輸送機為恒速運行，存在電能損耗較大的問題，造成電力資源的浪費[3]。文章基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡以及模糊控制技術(shù)，設計基于負載自適應的刮板輸送機控制方案，使得刮板輸送機鏈速能夠隨負載的變化自適應調(diào)節(jié)，達到節(jié)能降耗、提高輸送效率的目的。

1 刮板輸送機功能簡介

刮板輸送機由機頭電機和機尾電機驅(qū)動鏈輪傳送動力，刮板鏈條與鏈輪嚙合，使得刮板鏈條沿中部槽做循環(huán)往復運動，將采煤機截割的煤塊轉(zhuǎn)運至轉(zhuǎn)載破碎機，并經(jīng)帶式輸送機運輸至井上。刮板輸送機的驅(qū)動力由機頭電機和機尾電機提供，在工作時，機頭電機與機尾電機功率需要在一定范圍內(nèi)平衡，否則對其電氣以及機械結(jié)構(gòu)都會造成損傷。刮板輸送機運行的環(huán)境較為惡劣，煤壁落煤、矸石的沖擊，支撐地面的上下、左右傾斜都對其安全運行造成隱患。刮板輸送機還為采煤機提供運行軌道，需要適應橫向彎曲、縱向彎曲的復雜綜采工作面底板[4]。另外，刮板輸送機還為液壓支架提供推溜的支點，如果液壓支架推溜不到位，會造成刮板輸送機的水平面彎曲，形變較大時，會對其機械結(jié)構(gòu)造成損害，或?qū)е聶C頭、機尾電動機過載、過流等故障。刮板輸送機發(fā)生故障后，將導致與之配套的采煤機、液壓支架無法工作。

2 刮板輸送負載自適應模型

綜采工作面刮板輸送機自適應模型的本質(zhì)是采煤機與刮板輸送機協(xié)同調(diào)速，在采煤機、刮板輸送機可調(diào)速度范圍內(nèi)，保證刮板輸送機的負載合理，保持采煤機、刮板輸送機連續(xù)、高效運行；同時減少對采煤機、刮板輸送機的調(diào)速頻率，增加其機械使用壽命[5-6]。因此，刮板輸送負載自適應模型的實質(zhì)是搜尋最優(yōu)解的多目標優(yōu)化問題。

令目標函數(shù)個數(shù)為m，決策變量個數(shù)為n的多目標優(yōu)化問題可表示為式（1）-（5）：

式（1）為目標函數(shù)，具有m個優(yōu)化目標，n個決策變量；式（2）為具有n維決策空間的決策變量；式（3）為具有m維目標空間的目標函數(shù)；式（4）以及式（5）為定義的不等式約束條件。

多目標優(yōu)化問題較為復雜，一個目標改善后會導致另一個目標劣化，求解思路主要有兩種[7-8]：求目標函數(shù)的非劣解，在非劣解中選取最好解；將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為一系列子目標（單目標）問題，并對各子目標函數(shù)分配權(quán)重，準確反應子目標問題對多目標問題的重要程度。權(quán)值一般采用線性加權(quán)和表示，如式（6）：

式中：Xf為f（x）子目標函數(shù)的非劣解集合，ωi為權(quán)值，且

將刮板輸送機負載自適應多目標問題分解為下述三個子目標問題：

1）采煤機牽引速度平穩(wěn)性。采煤機的牽引速度調(diào)節(jié)以刮板輸送機負載變化為依據(jù)，劃分采煤時間段，在不同的時間段設置不同的牽引速度。為延長采煤機、刮板輸送機機械部件使用壽命，要求調(diào)速范圍小、調(diào)速頻率小、恒速運行時間長。以統(tǒng)計量方差作為采煤機牽引速度平穩(wěn)性的度量，速度變化范圍可用式（7）表示：

式中：vsi為采煤機牽引速度樣本數(shù)據(jù)為樣本均值。

2）刮板輸送機速度平穩(wěn)性。刮板輸送機的速度調(diào)節(jié)與采煤機牽引速度調(diào)節(jié)相同，其速度變化范圍可用式（8）表示：

式中：vci為刮板輸送機速度樣本數(shù)據(jù)為樣本均值。

3）刮板輸送機負載平穩(wěn)性。刮板輸送機負載變化受采煤機滾筒截割速度變化影響，當采煤機截割電動機恒速運行時，刮板輸送機負載隨時間的變化范圍較??；當采煤機截割電動機變速運行時，刮板輸送機負載隨時間的變化范圍較大[9-10]。將載煤量的方差作為刮板輸送機負載平穩(wěn)性的度量，載煤量變化范圍可用式（9）表示：

式中：Qi為刮板輸送機載煤量樣本數(shù)據(jù)為樣本均值[11]。

綜上可知，采煤機與刮板輸送機協(xié)同調(diào)速的評價函數(shù)可表示為式（10）：

3 刮板輸送負載自適應方案的實現(xiàn)

刮板輸送機負載自適應控制系統(tǒng)中，采煤機PLC控制器、刮板輸送機PLC控制器、變頻調(diào)速系統(tǒng)、負載電流互感器構(gòu)成刮板輸送機負載電流閉環(huán)系統(tǒng)。采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡學習并采集刮板輸送機負載電流，并形成歷史數(shù)據(jù)庫。對采煤機-刮板輸送機采用模糊PID控制后，刮板輸送機PLC控制器不斷檢測負載電流，對采樣值以及歷史數(shù)據(jù)庫進行計算，將與設定值的偏差e以及偏差變化率ec作為協(xié)同控制系統(tǒng)的輸入，利用PLC控制器的模糊PID模塊，調(diào)節(jié)變頻器對刮板輸送機機頭/機尾電動機的輸出，進而調(diào)節(jié)刮板輸送機負載電流，使其在設定范圍內(nèi)變化。Elman-模糊PID調(diào)速PLC軟件流程見圖1。

圖1 刮板輸送機負載自適應方案調(diào)速PLC軟件流程

刮板輸送機負載自適應控制系統(tǒng)協(xié)同調(diào)速PLC軟件流程見圖2所示，首先規(guī)劃采煤機-刮板輸送機協(xié)同調(diào)速速度，當滿足調(diào)速觸發(fā)條件后，優(yōu)先進行采煤機模糊PID調(diào)速過程，當采煤機牽引速度達到設定速度的±18%時，保持采煤機速度，對刮板輸送機進行模糊PID調(diào)速。當刮板輸送機鏈條速度調(diào)節(jié)達到設定速度的±18%時，保持刮板輸送機鏈條速度，形成Elman-模糊PID調(diào)速系統(tǒng)。刮板輸送機的PLC控制器實時循環(huán)監(jiān)測負載電流值，如果該值不在設定范圍內(nèi)，則進行采煤機-刮板輸送機協(xié)同調(diào)速過程，否則退出。

圖2 刮板輸送機負載自適應方案協(xié)同調(diào)速PLC軟件流程

4 試驗驗證

為驗證設計并實現(xiàn)的刮板輸送機負載自適應方案的有效性和適應性，進行工業(yè)性試驗。選用的刮板輸送機采用型號為SGZ630/220型可彎曲刮板輸送機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1 SGZ630/220型可彎曲刮板輸送機主要技術(shù)參數(shù)

為驗證刮板輸送機負載自適應控制方案，將采煤機-刮板輸送機恒速運行作為對比試驗。定義采煤機恒速4.50 m/min，刮板輸送機鏈速為額定1.25 m/s，完成30-80綜采工作面截割，將刮板輸送機負載電流數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并作歸一化處理。對刮板輸送機11 min內(nèi)的采煤機跟速度、刮板輸送機跟蹤速度、規(guī)劃運行負載電流以及恒速運行負載電流進行統(tǒng)計，如表2所示，共811個數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：應用刮板輸送機負載自適應控制方案后，刮板輸送機負載電流長時間保持在設定范圍內(nèi)，采煤機牽引速度與刮板輸送機鏈速的跟隨性較好，刮板輸送機超載、輕載甚至空載的現(xiàn)象大大減少，達到了節(jié)約電能的目的，提高了綜采工作面自動化水平，降低了工人的勞動強度，增強了采煤機、刮板輸送機運行的平穩(wěn)性和可靠性。

表2 采煤機-刮板輸送機運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計