王 偉

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

刮板輸送機(jī)是煤礦井下綜采工作面的煤料傳輸設(shè)備，具有控制方便、操作靈活、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，在綜采工作面發(fā)揮著不可替代的作用。綜采工作面地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、煤料負(fù)載不均衡，刮板輸送機(jī)系統(tǒng)常常出現(xiàn)空載、超載現(xiàn)象，嚴(yán)重影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率并造成電能浪費(fèi)，甚至引發(fā)煤礦安全事故。因此，研究刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面安全生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹匾胧?。綜采工作面刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)目前存在的主要問題有：啟動慣性大，啟動沖擊電流大，易對電動機(jī)造成損害；恒速控制常常使得帶式輸送機(jī)處于輕載甚至空載狀態(tài)，電能浪費(fèi)嚴(yán)重；控制系統(tǒng)落后，設(shè)備間未形成連鎖聯(lián)動控制，影響設(shè)備運(yùn)行效率。為此，國內(nèi)諸多學(xué)者開展相關(guān)研究，王波等[1]根據(jù)刮板輸送機(jī)的動態(tài)特性建立多機(jī)功率平衡控制模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。

1 智能調(diào)速原理分析

刮板輸送機(jī)運(yùn)行時受到的運(yùn)行阻力包括基本阻力Fn、附加阻力FN、傾斜阻力FSt以及特殊阻力FS四種，其中Fn為刮板輸送機(jī)的輸送帶、托輥以及煤料之間的摩擦阻力之和，對刮板輸送機(jī)運(yùn)行的影響力最大；FN為輸送帶與煤料之間的摩擦以及慣性阻力之和；FSt為輸送帶傾斜時形成的阻力；FS為刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的工況確定。刮板輸送機(jī)運(yùn)行時需克服上述阻力，因此牽引力Fu可表示為Fu≥Fn+FN+FSt+FS。

刮板輸送機(jī)驅(qū)動功率P=FuV，其中P 為克服運(yùn)行阻力所需要的功率，V 為刮板輸送機(jī)帶速；則刮板輸送機(jī)額定功率P0=（1.15～1.20）P。刮板輸送機(jī)運(yùn)量與帶速的關(guān)系可表示為：式中：qm為承載煤料的線密度；Qmin為刮板輸送機(jī)的最小運(yùn)量；vmin為最小運(yùn)行速度。

刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)，模糊控制系統(tǒng)主要包括模糊化（論域變換、模糊處理）模塊、知識庫模塊、模糊決策模塊以及清晰化模塊組成。以刮板輸送機(jī)為對象，對控制量帶速進(jìn)行模糊處理并綜合考慮運(yùn)行環(huán)境、負(fù)載變化等因素實(shí)現(xiàn)帶速與負(fù)載的模糊控制。為保證刮板輸送機(jī)帶速控制效果，加入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，設(shè)計(jì)輸入層、隱含層、輸出層三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對刮板輸送機(jī)的負(fù)載變換進(jìn)行預(yù)測，并及時調(diào)整帶速，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)智能調(diào)速。

2 智能調(diào)速方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

綜采工作面刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見圖1 所示，刮板輸送機(jī)機(jī)頭由電動機(jī)M1、M2共同驅(qū)動，由1 號變頻器對M1 以及M2 進(jìn)行變頻調(diào)速控制，為“一拖二”控制模式；機(jī)尾為電動機(jī)M3，由2 號變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速控制，為“一拖一”控制模式。1 號變頻器與2 號變頻器以CanOpen 總線通信模式與PLC 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令交互，控制變頻器的啟動、停止、加速、減速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)的變頻調(diào)速。

圖1 綜采工作面刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在PLC 控制器內(nèi)部基于模糊控制以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制實(shí)現(xiàn)帶速的智能調(diào)速，根據(jù)不同的負(fù)載，給定變頻器不同的給定轉(zhuǎn)矩，使得刮板輸送機(jī)的帶速隨負(fù)載變化動態(tài)調(diào)整。1 號變頻器以及2 號變頻器均可運(yùn)行于轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩模式，由PLC 控制器完成控制。當(dāng)變頻器運(yùn)行于轉(zhuǎn)速模式時,PLC 控制器需對目標(biāo)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動母線電流、制動母線電流以及限制扭矩等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和自適應(yīng)調(diào)節(jié)；變頻器將母線電流值、電動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩、電動機(jī)溫度、電動機(jī)控制溫度以及控制器母線電壓等值反饋給PLC 控制器并參與邏輯控制；當(dāng)變頻器運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩模式時，PLC 控制器需對目標(biāo)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)速限制等值進(jìn)行設(shè)置和自適應(yīng)調(diào)節(jié)。當(dāng)變頻器運(yùn)行時有故障發(fā)生時，將故障信息反饋至PLC 控制器并完成故障解析。由技術(shù)人員根據(jù)故障提示解決變頻器故障。

圖2 所示為PLC 控制器與變頻器的CanOpen 通信方案總體設(shè)計(jì)，采用CanOpen 總線通信專用屏蔽雙絞電纜連接PLC 控制器以及1 號變頻器、2 號變頻器，并在兩側(cè)終端并聯(lián)120 Ω 終端電阻，保證通信質(zhì)量，減少丟包率。PLC 控制器與1 號、2 號變頻器之間的CanOpen 通信需在PLC 控制器中建立和維護(hù)，通信波特率根據(jù)刮板輸送機(jī)實(shí)際通信距離設(shè)置為250 kbps，采用29bit 擴(kuò)展幀格式實(shí)現(xiàn)。為保證CanOpen 通信的可靠性、減少丟包率，PLC 控制器擴(kuò)展兩個CanOpen 通信擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)專口專用。上位機(jī)與PLC 控制器間的通信模式為TCP/IP 通信，PLC 控制器擴(kuò)展TCP/IP 通信模塊，通過TCP/IP 通信將刮板輸送機(jī)運(yùn)行時的所有數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，用于監(jiān)視和控制刮板輸送機(jī)的運(yùn)行。在PLC 控制內(nèi)編寫TCP/IPsocket 通信程序，實(shí)時將刮板輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以socket 方式發(fā)送給上位機(jī)，同時接收上位機(jī)的控制指令[2-3]。

圖2 控制系統(tǒng)通信方案總體設(shè)計(jì)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

綜采工作面刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)的1 號以及2 號變頻器都選用西門子礦用高精度矢量變頻器MASTER-DRIVESVC，該變頻器采用矢量控制技術(shù)，基于CAN/CanOpen 總線通信模式實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，利用編碼器、速度傳感器實(shí)現(xiàn)信號實(shí)時反饋并形成高精度速度雙閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)的變頻控制?？刂破鬟x用西門子CPU315-2DP 以及SM321DI、SM322DO、SM3318×12 bit、CP343 等擴(kuò)展模塊共同構(gòu)成PLC 控制系統(tǒng)。根據(jù)刮板輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)控制方案。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

綜采工作面刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)軟件在PLC 控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，利用模糊控制以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)帶速與負(fù)載協(xié)同控制。PLC 控制器內(nèi)的控制回路1 控制機(jī)頭電動機(jī)M1 以及M2，輸入信號為機(jī)頭電動機(jī)的運(yùn)行速度ω*，反饋速度為ωr，經(jīng)速度模擬PI 調(diào)節(jié)器后控制電動機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩為，該值經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器1 以及轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊后輸出至1 號變頻器，進(jìn)而控制機(jī)頭M1、M2 電動機(jī)按照調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)矩值運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC 控制器內(nèi)的控制回路2 控制機(jī)尾電動機(jī)M3，輸入額定轉(zhuǎn)矩為，經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器2 后輸出至2號變頻器，進(jìn)而完成對機(jī)尾電動機(jī)的控制。刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)運(yùn)行時需考慮功率平衡問題，即利用，保證機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)輸出功率基本平衡，使得刮板輸送機(jī)穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

3 應(yīng)用效果分析

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的綜采工作面刮板輸送機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)在某煤礦綜采工作面完成6 個月的工業(yè)試驗(yàn)，為驗(yàn)證該調(diào)速系統(tǒng)的正確性和應(yīng)用效果，第一個月采用傳統(tǒng)恒速控制方案，刮板輸送機(jī)日平均電能消耗量約為14 700 kW·h，平均帶速為4.1 m/s，因機(jī)頭、機(jī)尾功率不平衡導(dǎo)致輸送帶抖動以及散落煤料的故障為12 次；第二個月采用設(shè)計(jì)的智能調(diào)速方案，刮板輸送機(jī)日平均電能消耗量約為10 390 kW·h，電能消耗降低了29.32%；平均帶速為3.92 m/s，降低了4.4%，未出現(xiàn)輸送帶抖動、散落煤料的現(xiàn)象，刮板輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。后續(xù)4 個月采用智能調(diào)速方案，刮板輸送機(jī)運(yùn)行連續(xù)、穩(wěn)定[4]。

4 結(jié)論

本文以綜采工作面刮板輸送機(jī)為研究對象，基于變頻控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速系統(tǒng)并得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)綜采工作面刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀況，基于變頻控制、模糊控制以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制技術(shù)設(shè)計(jì)智能調(diào)速方案，使得帶速與負(fù)載協(xié)同、動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整；

2）實(shí)際應(yīng)用情況表明，該智能調(diào)速方案能夠保證刮板輸送機(jī)高效、節(jié)能運(yùn)行，提升綜采工作面生產(chǎn)效率。