吳 震

（重慶工商職業(yè)學院 智能制造與汽車學院，重慶 401520）

我國煤炭資源豐富，目前大型煤礦開采大多依靠煤礦膠帶運輸機把開采的煤炭運輸?shù)降孛?。隨著煤炭開采技術(shù)的日益提高，煤炭開采量巨大，對膠帶運輸機的要求也越來越高。目前煤礦膠帶運輸機大多具有運輸距離長、功率大、速度高的特點，所以煤礦膠帶運輸機使用能量較多。又由于目前很多煤礦膠帶運輸機的控制相對簡單，無論負載情況，只是按照設定的一個恒定速度運行，存在大量的能源浪費情況，并且設備在有無負載的情況都處于運行狀態(tài)，也增大了設備的損耗。目前，亟需對落后的膠帶運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，達到節(jié)約能源、延長設備使用壽命、減少故障發(fā)生的目的。

本文將設計一套對煤礦膠帶運輸機的優(yōu)化控制方案，首先對煤礦膠帶運輸機的負載、電流、電壓等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并且把相應數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)的輸入端，通過智能算法對相應數(shù)據(jù)進行分析和處理，來調(diào)節(jié)膠帶運輸機的運輸速度，實現(xiàn)負載大快速運行、負載小慢速運行、空載不運行的效果，并且本文將開發(fā)上位機監(jiān)測軟件，通過本地客戶端和遠程客戶端能夠監(jiān)測到膠帶運輸機的運行情況。

1 煤礦膠帶運輸機基本結(jié)構(gòu)與節(jié)能分析

1.1 煤礦膠帶運輸機結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下煤炭開采運輸?shù)膶嶋H需要，膠帶運輸機應具有驅(qū)動運輸、制動、改向、裝料、卸料、張緊、清掃等功能。基于這些基本功能需要，膠帶運輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般具有驅(qū)動電機、托輥、皮帶、支架等部分起到支撐和運輸煤炭的作用；具有轉(zhuǎn)向裝置用來改變膠帶運輸系統(tǒng)的運輸方向；具有張緊裝置起到驅(qū)動電機帶動皮帶運行，并防止皮帶打滑和撕裂；具有裝料和卸料裝置，用來把開采的煤炭放置到皮帶上且運輸?shù)侥康牡睾竽軌蛲ㄟ^卸料裝置把煤炭從皮帶上卸下。同時，為了保障皮帶運輸系統(tǒng)安全運行減少故障，并為安全監(jiān)測和智能控制提供數(shù)據(jù)，一般會根據(jù)需要在膠帶運輸系統(tǒng)中安裝傳感器來監(jiān)測其運行狀況并進一步實施智能控制。單級膠帶運輸機的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單級膠帶運輸機的整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 煤礦膠帶運輸系統(tǒng)節(jié)能分析

膠帶運輸機運行時的阻力主要包含由托輥、皮帶、煤料產(chǎn)生的摩擦力，這個主要阻力和這幾部分之間的摩擦系數(shù)、皮帶的長度、皮帶的重量、煤料在皮帶上的分布情況和重量、膠帶運輸機運行時的傾斜角度都有關系，主要阻力通過力學公式計算可得。除了主要阻力外，由于煤料放置到皮帶上時會產(chǎn)生慣性和摩擦阻力、驅(qū)動電機軸承偶然的阻力、皮帶的纏繞阻力等，膠帶運輸機運行時還會產(chǎn)生附加阻力。由于清掃皮帶、卸料摩擦、托輥前傾、煤料與導槽之間摩擦等因素影響，膠帶運輸機運行時還會產(chǎn)生特種阻力。另外，膠帶運輸機向上提升或向下運輸煤料時，膠帶運輸機還會產(chǎn)生傾斜阻力。這些阻力可以通過具體的公式和經(jīng)驗大致計算得到，進一步控制影響這些阻力因素，來達到節(jié)能的目的。

理想狀況下，膠帶運輸機皮帶上的煤料填充率為100%，其阻力為額定阻力，運行速度為額定速度，這時節(jié)能效果最佳。但是由于煤炭開采的不確定性，無法保證每時每刻皮帶上煤料的填充率為100%。這時，就考慮對皮帶上煤料的填充率進行監(jiān)測，使得皮帶上煤料填充率與膠帶運輸機運行速度正相關。當空載時膠帶運輸機以怠速運行，等待煤料添加到皮帶上，達到空載時最大節(jié)能效果；當皮帶上填充率未達到100%時，膠帶運輸機根據(jù)填充率的具體數(shù)據(jù)來降速運行，等待填充率逐步上升，膠帶運輸機運行速度也相應提升；當皮帶填充率帶到100%時，膠帶運輸機按照額定速度運行。

2 煤礦膠帶運輸機優(yōu)化控制

2.1 膠帶運輸機優(yōu)化控制思路

首先在煤礦膠帶運輸系統(tǒng)合適的位置上安裝皮帶秤、速度傳感器、扭矩傳感器、電壓電流傳感器等設備來實時監(jiān)測膠帶運輸機的運行數(shù)據(jù)。然后通過智能算法進行數(shù)據(jù)分析，以此來判斷膠帶運輸機的填充率和運行效率。以膠帶運輸機的填充率等數(shù)據(jù)為輸入指標，通過比例積分微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制器來調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，達到膠帶運輸機運行速度智能控制的目的，保持膠帶運輸機運行效率 最大化，避免空載和輕載情況下，膠帶運輸機仍然按照額定速度運行。

2.2 膠帶運輸機優(yōu)化控制設計

PID控制是由比例、積分、微分控制相結(jié)合對系統(tǒng)進行控制，既能夠考慮到系統(tǒng)的響應速度，還能夠兼顧系統(tǒng)超調(diào)和變化趨勢等，有較好適應性和魯棒性。另外PID控制結(jié)構(gòu)比較簡單，穩(wěn)定性比較好，可靠性較高，控制精度較高。本文根據(jù)煤礦膠帶運輸系統(tǒng)工作實際情況和具體要求對其設計優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過實驗和理論計算來調(diào)節(jié)PID參數(shù)，達到最優(yōu)控制目的，其控制原理如圖2所示。

圖2 膠帶運輸機控制原理圖

3 膠帶運輸系統(tǒng)監(jiān)測設計

為了保障膠帶運輸系統(tǒng)安全運行，方便遠程和實時監(jiān)測煤礦膠帶運輸機的運行狀況，本文開發(fā)基于瀏覽器/服務器（Browser/Server, B/S）+客戶端/服務器（Client/Server, C/S）混合架構(gòu)網(wǎng)絡模 式監(jiān)測軟件，來實時監(jiān)測膠帶運輸?shù)闹匾\行數(shù)據(jù)。這種混合網(wǎng)絡模式架構(gòu)，在本地可以通過客戶端采用有線的方式實時監(jiān)測膠帶運輸機運行數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實時性，當我們離開監(jiān)測中心時，我們可以通過瀏覽器遠程監(jiān)測膠帶運輸機運行數(shù)據(jù)?；旌霞軜?gòu)網(wǎng)絡模式如圖3所示。

圖3 混合模式結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)膠帶運輸系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際需要，本文開發(fā)監(jiān)測軟件應具有實時數(shù)據(jù)顯示、實時趨勢曲線、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報表、超限報警等功能。其中，數(shù)據(jù)分析功能是本文基于組態(tài)王開發(fā)的監(jiān)測軟件通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange, DDE）技術(shù)調(diào)用Matlab軟件智能算法，分析得出膠帶運輸機皮帶填充率，進一步給定膠帶運輸機控制系統(tǒng)運行速度設定值，并通過PID控制器進行調(diào)節(jié)。監(jiān)測平臺軟件架構(gòu)設計如圖4所示。

通過監(jiān)測軟件實時監(jiān)測膠帶運輸機運行情況，需要首先登陸監(jiān)測軟件系統(tǒng)，登錄界面需要正確的用戶名和密碼，否則將無法查看監(jiān)測信息。

圖4 監(jiān)測軟件架構(gòu)

4 結(jié)語

本文針對煤礦膠帶運輸系統(tǒng)現(xiàn)存的能源浪費問題，研究了煤礦膠帶運輸結(jié)構(gòu)，并對節(jié)能原理進行了分析，提出了根據(jù)煤礦膠帶運輸系統(tǒng)皮帶的負載情況進行智能控制的思想，通過安裝傳感器對膠帶運輸機運行情況的數(shù)據(jù)進行采集，并進一步對數(shù)據(jù)進行分析，得出膠帶運輸機最佳運行速度，并作為輸入傳遞給PID控制器，對膠帶運輸機進行閉環(huán)控制。此優(yōu)化控制系統(tǒng)通過實驗能夠達到額定負載額定速度運行，輕載減速運行，空載怠速運行的目的，起到了節(jié)約能源的效果。

本文開發(fā)基于B/S+C/S混合架構(gòu)網(wǎng)絡模式監(jiān)測軟件，來實時監(jiān)測膠帶運輸?shù)闹匾\行數(shù)據(jù)。這種監(jiān)測模式既保證監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性，也為遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了方便。監(jiān)測軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)全面，并具有數(shù)據(jù)分析功能，可以根據(jù)皮帶填充率得到最佳運行速度。對該優(yōu)化控制系統(tǒng)的推廣和應用，有一定的工程實踐價值。