李保盛

（山西汾西礦業(yè)（集團）孝義煤礦管理分公司，山西 孝義 032300）

引言

我國煤礦資源豐富，近年來為了適應社會經濟的發(fā)展，煤炭的開采量也在增加。為了提高刮板輸送機的運行效率，可建立一套基于載荷信息的控制系統(tǒng)，實時調整輸送機的轉速，提高設備的運行效率。

調速系統(tǒng)的設計目的是為了在不需要人工操作的情況下，實現(xiàn)刮板輸送機速度的調節(jié)，刮板運輸機的速度應與其所承受的負載密切相關，當運輸?shù)呢撦d較少時刮板輸送機可以減速運行，在沒有負載的情況下還可進行待機，由此可以極大地降低刮板輸送機的能耗，最終實現(xiàn)自動化、無人化的操作。刮板輸送機調速控制系統(tǒng)不僅提高了設備運行的效率，提高了經濟性，同時還提高了操作人員的安全性[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、采煤機、液壓支架三者之間協(xié)同配合，如圖1 所示為三種設備之間的布置關系。其中采煤機主要負責對煤巖進行截割、破碎，在工作面內可對一定范圍空間內的煤炭進行截割；刮板輸送機則主要負責將采煤機截割、破碎的煤炭源源不斷地往外輸送，需要不斷地根據煤炭的運載量進行調節(jié)；液壓支架主要負責對開采巷道的支護，確保作業(yè)設備與人員的安全，有助于提高開采效率。

圖1 綜采面協(xié)同作業(yè)示意圖

一般情況下，刮板輸送機在解決大角度煤炭的運輸問題上具有明顯優(yōu)勢，采煤機可以在刮板輸送機軌道上運行，采煤機的移動與安裝就方便了許多。為了保障井下作業(yè)人員的安全，在刮板輸送機與采煤機之間設置有互鎖功能，確保兩種設備可以同時開啟與關閉，防止刮板輸送機停機時，采煤機仍在工作，只有兩者相互協(xié)調配合才能確保煤礦開采的順利進行，保障人員與設備的安全[2]。

2 調速系統(tǒng)總體結構設計

首先根據對井下傳感器所采集的數(shù)據，同時融入了工業(yè)互聯(lián)網技術、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等技術。系統(tǒng)在分析刮板輸送機工作狀態(tài)的同時，根據其載荷情況自主決策，對輸送機的轉速進行調整。提高刮板輸送機轉速是提高煤炭開采效率的必然選擇，但是刮板輸送機一直保持高速運行，不僅會降低設備的使用壽命，還容易導致資源的浪費，因此需要根據刮板輸送機的載荷情況進行實時調節(jié)?？刂葡到y(tǒng)是一個復雜、高度偶合的系統(tǒng)，其結構示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 采煤機調速系統(tǒng)硬件構架

根據系統(tǒng)的硬件結構設計，可以分為三層；首先是數(shù)據采集層，即在設備上布置信號傳感器，獲取比較關注的信息，數(shù)據采集層主要包括的設備有各類傳感器、編碼器、電流互感器等。其次是通信層，主要實現(xiàn)將井下環(huán)境中所采集的信號通過信號傳輸設備輸送至地面控制中心，基于工業(yè)互聯(lián)網及無線網絡技術實現(xiàn)。最后是數(shù)據處理層，結合可編程控制器以及上位計算機對傳感器所采集的數(shù)據進行分析判斷，得到刮板輸送機速率控制的輸入[3]。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 傳感器選型

要實現(xiàn)控制系統(tǒng)根據刮板輸送機載荷進行自動調節(jié)與控制，就必須對刮板輸送機、采煤機等設備的工況參數(shù)進行監(jiān)測與分析。傳感器可以將溫度、速度等物理信號轉化為電信號，電信號則可以進行快速的傳遞，從而實時地對輸送機進行控制。根據系統(tǒng)性能需求選擇傳感器型號，要求設備應適用于井下工作環(huán)境，具有較好的可靠性。如圖3 所示，為本系統(tǒng)中所選取的溫度傳感器、電流互感器、軸編碼器的實物圖。

圖3 部分硬件選型實物圖

溫度傳感器采用GWP200 型，它是一種礦用本安型拆插入式溫度傳感器，在本系統(tǒng)中安裝在刮板輸送機機頭和機尾處，用來測量電動機軸承溫度。電流互感器采用LMZ-1 礦用電流互感器，將其安裝在組合開關中，用來獲取刮板輸送機電流數(shù)據。軸編碼器采用VBW28 型礦用軸式編碼器，安裝于刮板輸送器的電機傳動軸上，獲取電動機的轉速等信息[4]。

3.2 以太網平臺設計

綜采面工況復雜環(huán)境比較惡劣，常導致有線的通信設備發(fā)生故障，因此采取有線網絡與無線網絡相結合的方式，無線Mesh 技術是下一代無線網絡的關鍵技術，具有兼容性強、抗干擾能力好等優(yōu)點，配備KJHT500 型礦用無線交換機，該交換機最大可提供200/2000 Mbps 的快速傳遞能力。

工業(yè)互聯(lián)網是實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動的基礎，通過搭建網絡通信平臺實現(xiàn)刮板運輸機PLC、采煤機主控制PLC、控制系統(tǒng)的PLC 之間信息的交互傳遞，如圖4 所示，為基于刮板輸送機負載大小而實現(xiàn)對刮板輸送機轉速進行控制的系統(tǒng)通信結構示意圖[5]。

4 載荷識別系統(tǒng)設計

刮板輸送機的運行速率應該與實際的運載量相關聯(lián)，使得設備之間密切配合，以提高刮板輸送機的運行效率。在實際使用中，刮板上所運輸?shù)呢浳锪渴菚r刻變化的，只能借助于智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)才能了解刮板輸送機的載荷情況，了解刮板輸送機的狀況，并做出正確的判斷決策。一般是需要對刮板輸送機的載荷情況進行監(jiān)測，收集的數(shù)據，可給予BP 神經網絡算法對歷史數(shù)據進行分析，并有效歸類，以此作為刮板輸送機控制的依據。從刮板輸送機不同載荷所監(jiān)測的數(shù)據入手，對數(shù)據進行歸納分類，從而確定輸送機轉速應控制的大小，在此利用BP 神經網絡對數(shù)據進行篩選分類，BP 神經網絡的識別系統(tǒng)的構建過程可以簡單概況為如下三步[6-7]：

1）首先是分析數(shù)據的采用、收集與整理，由于算法本身基于離散的數(shù)據進行分析，因此需要對樣本數(shù)據進行取樣。

2）對分析樣本進行集約化處理，在減小樣本容量的同時可提高算法的識別度，即構建識別參數(shù)的決策表。

3）根據整理得到的決策表，再提起隱藏于其中的規(guī)律，并以此作為BP 神經網絡的輸入，這一步對神經網絡的訓練尤為重要，對后期神經網絡的預測判斷具有重要影響。最后構建起基于神經網絡算法的模式識別系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的結構如圖5 所示。

圖5 載荷識別系統(tǒng)結構

5 調速系統(tǒng)的實現(xiàn)

最后對系統(tǒng)硬件、軟件進行了不斷調試，最終實現(xiàn)了基于負載的刮板輸送機調速與控制，在軟件系統(tǒng)的主界面，顯示了刮板輸送機運行的狀態(tài)參數(shù)，如轉速、載荷、溫度等，系統(tǒng)是采用神經網絡建立的預測模型和調速模型，對刮板輸送機的歷史數(shù)據進行分析，歸類總結出刮板運行的特點，以及轉速的控制，從而實現(xiàn)了對刮板轉速的實時調控。