吳 濤

中國神華國際工程有限公司 北京 100010

帶 式輸送機(jī)為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，承擔(dān)著綜采工作面煤炭運輸至地面的任務(wù)。目前，隨著采煤工藝的不斷改進(jìn)和采煤能力的不斷提升，帶式輸送機(jī)必須朝著大運量、長距離以及高運速的方向發(fā)展才能夠滿足實際生產(chǎn)的需求[1]。近年來，隨著計算機(jī)及自動化控制在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用，實現(xiàn)各類設(shè)備的智能化控制，從而達(dá)到節(jié)能目的也尤為重要。

目前，綜采工作面帶式輸送機(jī)主要以恒定速度運行，無法根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、給煤速度以及煤炭運量等指標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)、智能控制，難以在滿足工作面煤炭運輸能力的同時，達(dá)到提高運輸效率、降低能耗的目的。

1 帶式輸送機(jī)運量及負(fù)載預(yù)測

實時掌握帶式輸送機(jī)的實際運輸量并精準(zhǔn)預(yù)測實時負(fù)載，對于實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能智能化控制尤為重要。

1.1 帶式輸送機(jī)運量測量方法研究

總的來說，帶式輸送機(jī)運量測量方法可分為接觸式測量和非接觸式測量[2]。其中，接觸式測量方法中最具代表性的是電子皮帶秤測量法，該方法所用的電子皮帶秤主要包括速度傳感器、稱重傳感器、稱重框架以及工況機(jī)等部件，具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 中電子皮帶秤配置的稱重傳感器一般為電阻應(yīng)變式傳感器，該傳感器在實際測量過程中容易受到環(huán)境的影響而出現(xiàn)塑性變形，直接表現(xiàn)為傳感器所獲取的數(shù)據(jù)高于實際值，誤差較大。速度傳感器用于監(jiān)測帶式輸送機(jī)輸送帶的速度。目前，基于直接接觸的電子皮帶秤測量法的測量精度最高可達(dá)±0.25%。

非接觸式測量方法主要包括核子皮帶秤測量法、超聲波測距法、激光 CCD 圖像測量法以及激光掃描法等[3]。其中，核子皮帶秤測量法的測量精度可達(dá)到±1% 左右，但是該方法中的γ射線具有明顯的放射性，容易對人體造成危害。超聲波測距法的測量精度在很大程度上受制于超聲波測距儀，實踐表明該方法并不能完全適用于運量的主要測試，僅可作為輔助應(yīng)用于實際運輸中對煤量的定性分析。激光 CCD 圖像測量法對現(xiàn)場工作面的光線要求比較嚴(yán)苛，且該方法對圖像的處理時間較長、運算量較大，即響應(yīng)速度較慢。激光掃描法主要通過所構(gòu)建的煤體數(shù)學(xué)模型對運量進(jìn)行估算，實踐表明該方法不僅測量精度較高，而且對應(yīng)的測量重復(fù)性和相關(guān)性可達(dá) 98%。

基于當(dāng)前“智能礦山”的總體建設(shè)要求，為了實現(xiàn)煤礦智能化、無人化運行，帶式輸送機(jī)煤炭運輸量的測量必須具備高測量精度、高抗干擾特性以及強(qiáng)適應(yīng)性。綜合對比上述方法，非接觸式測量方法將成為主流，本項目擬采用激光掃描測量法實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)煤炭運量的測量，所選設(shè)備為 CMSV500 防爆三維激光掃描儀，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 CMSV500 防爆三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of CMSV500 explosion-proof 3D laser scanner

1.2 帶式輸送機(jī)的負(fù)載預(yù)測

激光掃描法僅能夠?qū)捷斔蜋C(jī)輸送帶上的煤炭外形及體積進(jìn)行測量，無法充分測量煤料的內(nèi)部堆積情況。因此，單純依靠激光掃描法對煤料進(jìn)行掃描所得的測量結(jié)果實際精度還不夠。為解決這一問題，需要對輸送帶上的煤料負(fù)載進(jìn)行預(yù)測。

根據(jù)文獻(xiàn) [4]，通過構(gòu)建單級煤球堆積模型和多級煤球堆積模型，可構(gòu)建帶式輸送機(jī)輸送帶上的煤料顆粒堆積模型?？紤]到在實際給煤過程中煤炭會被打碎，筆者采用內(nèi)切球優(yōu)化法構(gòu)建煤料的顆粒模型，進(jìn)而實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)輸送帶上煤料負(fù)載的精準(zhǔn)預(yù)測。

2 帶式輸送機(jī)節(jié)能模型及效果分析

當(dāng)前帶式輸送機(jī)主要采用恒速控制，根據(jù)某煤礦主巷帶式輸送機(jī)的實際運行狀態(tài)，筆者將其運輸系統(tǒng)所面臨的主要問題歸結(jié)如下：

(1) 現(xiàn)場帶式輸送機(jī)始終恒速運行，運輸速度不能根據(jù)輸送帶上的實際運量進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致其在空載或輕載狀態(tài)下能耗過大。

(2) 帶式輸送機(jī)所配置的驅(qū)動電動機(jī)均以保證一定余量的原則進(jìn)行設(shè)計，并采用逆煤流的方向?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備進(jìn)行啟動。上述兩項因素不僅會導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的能耗較大，還會加劇輸送系統(tǒng)的機(jī)械損耗[5]。

為解決以上問題，筆者將對影響帶式輸送機(jī)運煤功率的主要因素進(jìn)行分析，設(shè)計帶式輸送機(jī)的節(jié)能模型，并對其節(jié)能效果進(jìn)行評估。

2.1 節(jié)能模型的建立

影響帶式輸送機(jī)功率的主要因素有主要阻力、附加阻力、提升阻力和特殊阻力。其中，帶式輸送機(jī)運輸過程中的主要阻力指的是壓陷阻力、輸送帶彎曲阻力、托輥旋轉(zhuǎn)阻力、煤料的變形阻力等。附加阻力主要包括導(dǎo)料槽與帶式輸送機(jī)輸送帶之間的摩擦力和落料區(qū)煤料與帶式輸送機(jī)輸送帶之間的摩擦力，輸送帶長度不同，其對應(yīng)的附加阻力也不同。提升阻力包括帶式輸送機(jī)自身重力和上傾帶來的摩擦力。特殊阻力是指帶式輸送機(jī)附加的清掃裝置、卸料裝置以及卷帶裝置運行過程中所引發(fā)的阻力。

考慮到帶式輸送機(jī)的實際能耗與其工作環(huán)境和設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)，為了準(zhǔn)確掌握帶式輸送機(jī)的能耗情況，本文將采用 MATLAB 軟件對 2個不同工況下的能耗進(jìn)行分析，并以帶式輸送機(jī)的運行速度和運行時間為根本，構(gòu)建與帶式輸送機(jī)輸送帶寬度、物料密度、輸送帶補(bǔ)償長度以及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)的能耗模型。為達(dá)到節(jié)能智能控制的目的，采用雙層結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化控制策略，具體如圖 2 所示。

由圖 2 可知，雙層結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化控制策略包括兩部分，一部分為基于漸消記憶遞推最小二乘法，實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運行速度的預(yù)測；另一部分為對帶式輸送機(jī)運行速度的實時控制，保證輸送帶速度能根據(jù)煤量變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。

2.2 節(jié)能效果分析

根據(jù)對帶式輸送機(jī)運量及負(fù)載的精準(zhǔn)預(yù)測，并采用雙層結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化控制策略對其進(jìn)行控制，達(dá)到的節(jié)能效果如表 2 所列。

表2 帶式輸送機(jī)動態(tài)優(yōu)化控制節(jié)能效果Tab.2 Energy-saving effects of dynamic optimization control for belt conveyor

由表 2 可以看出，采用帶式輸送機(jī)動態(tài)優(yōu)化控制策略后，節(jié)能效率最高可達(dá) 15.88%。同時，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，按照所預(yù)測的工況對帶速進(jìn)行控制，其加速度最大不超過 0.3 m/s2，加速度值較小，在很大程度上避免了帶式輸送機(jī)輸送帶打滑甚至斷帶故障的發(fā)生，極大地提升了帶式輸送機(jī)調(diào)速的安全性和可靠性。

3 帶式輸送機(jī)功率平衡智能控制功能的實現(xiàn)及仿真分析

隨著煤礦生產(chǎn)工作面機(jī)械化水平不斷提升，工作面巷道不斷深入，對帶式輸送機(jī)的運輸距離、運量以及運輸速度等均提出了更高的要求。傳統(tǒng)單電動機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)的需求，目前主要采用雙電動機(jī)或三電動機(jī)驅(qū)動的方式，除了需要實現(xiàn)上述節(jié)能智能化控制外，還急需實現(xiàn)功率平衡控制。

3.1 帶式輸送機(jī)功率不平衡問題分析

對于多電動機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)而言，由于其本身驅(qū)動單機(jī)的差異性、設(shè)備安裝誤差以及實際生產(chǎn)中的負(fù)載不均勻等問題，難免出現(xiàn)功率不平衡。若不及時解決，極易導(dǎo)致其中 1個或 2個電動機(jī)出現(xiàn)過載，進(jìn)而使其燒毀。因此，解決帶式輸送機(jī)的功率不平衡問題，不僅有利于綜采工作面的安全生產(chǎn)，而且對于保證運輸效率具有重要意義。經(jīng)分析可將影響帶式輸送機(jī)功率平衡的因素總結(jié)如下：

(1) 各傳動部件的效率和傳動比；

(2) 輸送帶拉伸強(qiáng)度；

(3) 在長期的運輸任務(wù)中，滾筒粘上物料或出現(xiàn)不同程度的磨損，造成滾筒直徑不同程度增大或減小。

雖然當(dāng)前采用的主從控制可在一定程度上緩解功率不平衡的問題，但該方式僅能夠依據(jù)主電動機(jī)的運行狀態(tài)對從電動機(jī)進(jìn)行控制，而從電動機(jī)的運行狀態(tài)不會反饋至主電動機(jī)。總的來講，傳統(tǒng)主從控制的精度偏低，無法徹底消除帶式輸送機(jī)的功率不平衡問題。因此，筆者提出基于速度補(bǔ)償理念實現(xiàn)帶式輸送機(jī)功率平衡控制的策略，如圖 3 所示。

3.2 智能化模糊 PID 控制器的設(shè)計

傳統(tǒng)的主從控制方式主要采用 PID 控制器，雖然控制精度較高，但在整個控制過程中超調(diào)量較大，穩(wěn)定性較差。而且，傳統(tǒng) PID 控制器的自適應(yīng)能力較差，對于工況負(fù)載、載荷變化頻繁的帶式輸送機(jī)而言，其最終的控制效果無法從根本上解決功率不平衡的問題。因此，筆者設(shè)計了一款智能化模糊 PID 控制器以實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的快速穩(wěn)定響應(yīng)。

智能化模糊 PID 控制器是指在傳統(tǒng) PID 控制器的基礎(chǔ)上，引入模糊控制算法，對 PID 控制器的比例、積分以及微分 3個環(huán)節(jié)的系數(shù)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，使其能夠根據(jù)帶式輸送機(jī)的工況對電動機(jī)運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 智能化模糊 PID 控制效果仿真分析

為驗證智能化模糊 PID 控制器與傳統(tǒng) PID 控制器的控制效果，基于 Simulink 軟件建立仿真模型，對其進(jìn)行對比。

3.3.1 仿真模型建立

筆者所研究的帶式輸送機(jī)采用雙電動機(jī)驅(qū)動，2個電動機(jī)型號相同，參數(shù)一致。因此，在實際生產(chǎn)中2個電動機(jī)的功率比為 1∶1。在建立模型時需要參考電動機(jī)參數(shù)，如表 3 所列。

表3 驅(qū)動電動機(jī)參數(shù)Tab.3 Parameters of drive motor

分別根據(jù)主從控制策略和基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗越?Simulink 仿真模型，并將模型中電動機(jī)的參數(shù)依據(jù)表 3 進(jìn)行設(shè)置。其中，主從控制策略中采用傳統(tǒng) PID 控制器，比例環(huán)節(jié)系數(shù)為 0.12，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為 0.001，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為 0.5；基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗圆捎弥悄芑：?PID 控制器，能夠根據(jù)帶式輸送機(jī)的實際工況對比例、積分及微分 3個環(huán)節(jié)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)定帶式輸送機(jī)在空載工況下啟動，在仿真時刻為 0.30 s 時分別對 2 臺電動機(jī)施加不同的負(fù)載，其中頭部驅(qū)動電動機(jī)負(fù)載為 20 N·m，尾部驅(qū)動電動機(jī)負(fù)載為 15 N·m；在仿真時刻為 0.60 s 時引入功率平衡控制策略。本次仿真對引入功率平衡控制策略后 2個電動機(jī)的電流變化進(jìn)行對比，電流可以直接反應(yīng)功率的變化趨勢，仿真結(jié)果如圖 4 所示。

由圖 4 可知，傳統(tǒng) PID 控制器需要 0.12 s 達(dá)到雙電動機(jī)的功率平衡控制，在控制過程中電流的最大超調(diào)量為 3.58%；而智能化模糊 PID 控制器僅需要 0.04 s 即可達(dá)到雙電動機(jī)的功率平衡控制，且在控制過程中電動機(jī)電流的最大超調(diào)量為 0.005 4%。

綜合分析，與采用傳統(tǒng) PID 控制器的主從控制策略相比，采用智能化模糊 PID 控制器實施基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗跃哂懈斓捻憫?yīng)速度、較小的超調(diào)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對帶式輸送機(jī)的高精度功率平衡控制，尤其適用于煤礦綜采工作面復(fù)雜工況下帶式輸送機(jī)的智能化控制。

4 結(jié)語

基于帶式輸送機(jī)的節(jié)能控制需求和多電動機(jī)的功率平衡控制需求，開展帶式輸送機(jī)智能化控制設(shè)計，并對控制效果進(jìn)行驗證，總結(jié)如下：

(1) 采用 CMSV500 防爆三維激光掃描儀并構(gòu)建負(fù)載預(yù)測模型，可實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運量的精準(zhǔn)掌握；

(2) 采用帶式輸送機(jī)動態(tài)優(yōu)化控制策略后，節(jié)能效率最高可達(dá) 15.88%，其加速度最大不超過 0.3 m/s2，加速度值較小，在很大程度上避免了帶式輸送機(jī)輸送帶打滑甚至斷帶故障的發(fā)生，極大提升了帶式輸送機(jī)調(diào)速的安全性和可靠性；

(3) 采用基于速度補(bǔ)償?shù)墓β势胶饪刂撇呗?，并引入智能化模?PID 控制器，響應(yīng)速度更快，且在整個控制過程中超調(diào)量較小，可實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的高精度功率平衡控制。