煤炭快速裝車系統監測與控制技術研究現狀

王洋洋，　鮑久圣,2，　陰妍，　湯林立，　張濤

(1.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州　221116;2．江蘇省礦山智能采掘裝備協同創新中心， 江蘇 徐州　221008；3．徐州聯碩自動化設備有限公司， 江蘇 徐州　221149)

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煤炭快速裝車系統監測與控制技術研究現狀

王洋洋1，鮑久圣1,2，陰妍1，湯林立3，張濤3

(1.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州221116;2．江蘇省礦山智能采掘裝備協同創新中心， 江蘇 徐州221008；3．徐州聯碩自動化設備有限公司， 江蘇 徐州221149)

在簡單介紹煤炭快速裝車系統的基礎上，從其監測與控制技術入手，著重論述了儲煤倉、輸煤系統、稱重系統、液壓系統及車輛定位與識別系統等子系統的監測技術研究現狀，總結了模糊控制、神經網絡控制和專家控制等智能控制技術在快速裝車系統中的應用現狀，指出了煤炭快速裝車系統監測控制技術的發展趨勢。

煤炭快速裝車系統； 監測技術； 智能控制

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1011.007.html

0　引言

隨著年產量突破千萬噸的大型煤礦不斷涌現，越來越多的大型選礦廠引入了快速裝車系統?？焖傺b車系統是一種采用自動控制方式將煤炭等固體物料按照規定的重量連續地稱量并將其裝入到列車車廂中的高效裝載系統[1-2]，具有裝車速度快、稱量精度高、工作效率高等特點[3-4]。煤炭快速裝車系統高效、穩定工作性能的實現得益于監測控制技術的應用，監測控制技術的逐漸成熟將會進一步促進快速裝車系統的發展。因此，研究煤炭快速裝車系統監測控制技術具有重要的意義。本文在介紹煤炭快速裝車系統的基礎上，從監測與控制技術入手，論述了儲煤倉、輸煤系統、稱重系統、液壓系統及車輛定位與識別系統等子系統的監測技術研究現狀，并指出了煤炭快速裝車系統監測控制技術的發展趨勢。

1　煤炭快速裝車系統

煤炭快速裝車系統的工作流程如圖1所示。儲煤倉的煤炭通過給煤機輸送到儲煤倉下部的帶式輸送機，由帶式輸送機將煤炭灌入緩沖倉、定量倉，定量倉由稱重傳感器稱重，當達到火車車皮所需的設定噸位后，裝車刮板輸送機開啟向行進中的火車車廂裝煤[1]。

圖1　煤炭快速裝車系統工作流程示意

隨著科學技術的進步，大量新的監測手段和技術得到應用，特別是對裝載精度和裝車效率有很高要求的快速裝車系統。快速裝車系統主要采用傳感器技術、PLC控制技術、組態軟件技術、網絡通信技術等高效、智能的監測控制技術進行系統的管理、監測和控制，其監控系統結構如圖2所示。首先，通過PLC實現對儲煤倉、輸送帶、輸送電動機、定量倉、液壓站等現場設備的信號采集；然后，再將采集的信號經邏輯控制、儀表通信等傳遞到組態監控軟件系統；最后，通過組態軟件實現人機交互，完成對給煤機、給料閘門、刮板輸送機和液壓站等子系統的控制及儀表顯示等一系列功能[2]。

圖2　快速裝車系統的監控系統結構

2　煤炭快速裝車系統監測技術

煤炭快速裝車系統的監測主要體現在對儲煤倉、輸煤系統、稱重系統、液壓系統等子系統的監測上。由于儲煤倉、輸送帶存在較多危險性因素，所以，對其進行監測是研究的重點；同時，由于稱重系統是保證裝車質量與精度的重要環節，所以，也有很多學者對其做了大量研究。

2.1儲煤倉監測技術

儲煤倉的主要作用是儲存、保護煤炭，減小煤炭在儲存和運輸過程中對環境造成的二次影響。另外，煤炭長期存放將會使倉內溫度升高，存在自燃的危險。與此同時，倉內煤易散發可燃氣體，當這些可燃氣體溫度、濃度超過一定數值后也會造成自燃甚至爆炸等危險。因此，采用大型筒倉方式儲煤，首先要建立一個完善的監測體系來保證儲煤的安全。目前，對儲煤倉的研究主要以倉內溫度、可燃與有毒氣體濃度、煙霧濃度、氧濃度及筒倉料位為監測對象，加強安全保護。

(1) 溫度監測。主要采用紅外線測溫儀、熱電阻、智能溫度傳感器(如DS18B20)、分布式光纖傳感器和連續熱電偶等進行溫度監測，幾種溫度監測方法的性能比較見表1[3]。紅外測溫儀用于定期對煤倉底部和倉壁進行溫度測量，發現溫度異常時進行分析判斷，這種方法效率比較低下、不能實時監測，其他幾種測溫方法都可實現實時監測。例如，呂崇曉在參考文獻[3]中利用不同導體對溫度變化的導電系數不同研究了熱電阻實時測溫法，該方法具有精度高、不易受影響等特點；白永強[4]研究了分布式光纖測溫法，同樣解決了實時測溫的問題，但光纖價格較貴，難以成為測溫系統的首選；田金云[5]利用DS18B20數字溫度傳感器實現了-10～80 ℃范圍內的溫度測量，數據傳輸距離長達30m，性能穩定、工作可靠；黃河[6]基于熱點效應原理研究了連續熱電偶實時監測方法，實現了儲煤倉堆煤內部的溫度監測，反映了內部煤層各處最高溫度以及最高溫度升溫速率的實時狀況，較為準確、全面。

表1　幾種溫度監測方法的性能比較

(2) 氣體和煙霧監測。對于可燃氣體和煙霧的監測，嚴威[7]指出在儲煤倉頂部和抽塵風管處都設置監測CH4濃度、CO濃度的傳感器和煙霧檢測器，當CH4濃度或CO濃度達到危險值時聯鎖充入氮氣稀釋濃度，進行惰性保護。對可燃氣體的監測，許寧等[8]還研究了用紅外光譜分析的監測方法。為保證操作及檢修人員工作區域的安全性，方嘯[9]指出還要在儲煤倉頂部通廊和底部通廊處各設置若干氧濃度檢測器，以保證工作人員的安全。此外，劉會敏等[10]在研究儲煤倉儲煤保護時設置了消防設備：當CO濃度上升到危險值且儲煤溫度在70～100 ℃時，應緊急出煤，并在儲煤倉出煤口對煤流噴水降溫，確保輸送帶及其他設備的安全；還要對儲煤倉頂部的可燃氣體噴撒水霧以稀釋其濃度，降低危險。

(3) 料位監測。為了防止滿倉或者空倉，保證筒倉中儲煤的合理調配和連續裝載，儲煤倉中還要配置料位計進行煤位監測。目前最常見的料位計主要有重錘式、超聲波式、核輻射式、電容式、雷達式等幾種。例如，王央波[11]改進重錘式料位計,減小了重錘質量,解決了系統阻力大等問題；郎永平[12]研究了超聲波式料位計，安裝使用方便；鄧勇剛[13]研究了NAKe-系列無放射源核子料位計，通過檢測天然γ射線的變化來判斷物料的位置，壽命長、抗粉塵效果明顯；蘇東海[14]針對一般料位計誤報虛假信號問題,研究了電容式料位計，克服了空倉誤報信號的問題，運行穩定；為提高料位測量精度，曾志偉等[15]研究了雷達式料位計，誤差小、連續性較好。幾種料位監測方式的性能比較見表2[16]。此外，為了保證筒倉內儲煤高度的絕對安全可靠，防止出現冒倉現象，一些學者也在儲煤倉頂部設置了高料位輔助開關。例如，孫立偉[17]研究了高料位傾斜式水銀開關，為儲煤倉安全設置了第2道保護措施。

表2　幾種料位監測方式的性能比較

2.2輸煤系統監測技術

輸送機的主要作用是利用輸送帶將儲煤倉里的煤炭輸送到緩沖倉，其核心部位是輸送帶，它直接決定了裝車的速度和連續性，因此,要對輸送帶和輸送電動機進行監測保護。

(1) 輸送帶監測。最常見的輸送帶保護措施主要是利用跑偏傳感器、撕裂傳感器、拉繩傳感器及溫度傳感器等對其運行狀況進行實時監測，以保障其安全運行。例如，吳麗等[18]指出，當輸送帶跑偏20°時報警并自動停車，并采用速度打滑檢測器YHSJ-I進行打滑監測，提高了輸送系統的安全性和可靠性；趙博[19]采用了GSH4轉速傳感器和GEJ30跑偏傳感器分別對輸送帶的速度和跑偏角度進行監測，并采用了KH105/12拉繩傳感器對帶式輸送機進行拉繩監測，安裝簡單、精度高。

(2) 輸送電動機監測。除了對輸送帶的監測保護外，還要對輸送電動機進行溫度監測，以防止溫度過高帶來的安全隱患。對輸送電動機的監測主要是監測其轉子、繞組、軸承等部件的溫度和振動情況。目前，利用智能多路巡檢儀XMD5000對溫度檢測點進行溫度采樣，是一種比較經濟實用的監測方法。

2.3稱重系統監測技術

稱重系統用于對煤炭快速、準確的稱量。最常見的是定量倉稱重系統，其工作原理：稱重料斗坐落在4個稱重傳感器上，4個稱重傳感器按90°均勻安裝在料斗的4個支撐腿上。稱重傳感器是整個稱重系統的核心部件之一，輸出與料斗內的煤炭質量成線性比例的電信號。稱重系統直接決定了煤炭裝車的精度，因此,有大量文獻對其進行研究。例如，張澤江[20]采用ARCHTECH80210 125K型稱重傳感器對定量倉進行稱重，該傳感器具有自我糾偏的功能，提高了稱重的精度；李茂剛等[21]利用4個RaceLake負載傳感器稱重的同時，又對緩沖倉設置了4個料位傳感器，用來監測筒倉內物料的高度，防止滿倉、欠倉，保證正常裝車時有足夠的煤量。

需要指出的是，除了上述基于定量倉的稱重方式外，還有基于膠帶輪、軌道衡等的稱重方法。例如，張榮軒[22]針對目前大多數老礦區原有儲煤倉因結構和空間限制而無法安裝大型計量控制設備的現狀，提出了基于定量控制膠帶稱重式給料機的快速裝車系統，得到了應用和推廣，實現了裝車效率、經濟效益和環境治理三提高；孫丙科等[23]研究了基于軌道衡的稱重方法，根據軌道衡質量的反饋信息來調節給煤量，以達到自動裝車的目的，這種稱重方式同樣具有很好的稱重效果。

2.4車輛定位與識別系統監測技術

(1) 車輛定位監測。煤炭快速裝車是一個動態的裝載過程，當列車進入裝車站之后，如何準確無誤地將各節車廂定位在給料漏斗下十分重要。例如，周谷鳴等[24]以山東高莊煤礦裝車系統為背景，采用10對對射式光電傳感器監測車廂行進位置：當火車車廂經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生0和1的信號，利用該信號來控制牽引機車的停止，實現了對煤炭裝車過程中車廂位置的實時定位；王莉[25]研究了將超聲波位置傳感器安裝在列車軌道上對火車進行定位，同樣達到了很好的定位效果。

(2) 車輛識別監測。由于火車車輛存在多種型號，其運輸量也不盡相同。為了讓每節車廂都實現最大的安全裝載量，快速裝車系統通常要配備車輛識別裝置,用來識別不同的車皮型號,以調整裝載量。目前，最常用的是基于微波射頻識別技術的車輛自動識別系統。例如，郭欣[26]將無線射頻技術引入到運輸管理中，設計了車輛自動識別和裝車系統，實現了運輸車輛的監測管理、自動識別、連續裝車等，縮短了車輛作業時間，提高了煤炭的運輸效率和安全度；王正書等[27]又將雷達掃描技術和車輛識別系統結合應用到安太堡快速裝車系統中，有效地防止了車皮偏載偏重、超虧噸位，大大減少了企業的損失。

2.5液壓系統監測技術

液壓系統由液壓泵站、控制閥、蓄能器、液壓油缸、加熱制冷裝置組成。液壓系統被譽為快速裝車站的“四肢和肌肉”，它的主要作用是為緩沖倉閘門、定量倉閘門、裝車刮板輸送機的垂直提升和橫向移動等部件提供穩定的液壓力。液壓系統的好壞將影響到裝載效率和裝載精度的高低，進而影響整個裝車效率。液壓站的油溫、油位的過高或過低都會直接影響液壓站的正常運行，對裝車的精確度和安全生產帶來隱患。因此，有很多學者對其進行了研究。例如，劉永光[28]利用精密的溫度變送器進行溫度數據采集，進行溫度監測；宋志光[29]指出可用油位開關進行低油位保護，將油位開關放在工作油位中部進行油位監測。

3　煤炭快速裝車系統智能控制技術

煤炭快速裝車系統是一種非線性、強耦合、強干擾的系統，采用傳統的PID控制勢必造成參數設計困難、系統不穩定等問題。因此，大量的智能控制技術被應用到快速裝車系統之中，大大提高了快速裝車系統的自動化程度。目前，在快速裝車系統中應用較多的智能控制技術主要有模糊控制、神經網絡控制和專家控制等。

3.1模糊控制技術

模糊控制理論主要用于解決工程中難以建立精確數學模型的非線性問題。模糊控制規則是模糊控制的核心，它是根據經驗和知覺推理，將人的大量成功的控制策略經整理、加工提煉后，用輸入、輸出的模糊狀態加以描述，就得到了控制規則[30]。模糊控制具有動態響應速度快、魯棒性強等特點[31]。

模糊控制理論經過半個多世紀的發展，逐漸成熟、穩定，在快速裝車系統中得到了大量的應用。例如，針對加料閥門關閉時機不易選擇，操作人員難以把握，存在裝車精度與裝車效率矛盾的問題，李佛垚等[32]提出了運用模糊控制技術控制定量倉加料閘門的方法：工控機根據稱重傳感器采集的信號，經控制規則處理、比較，判斷下料的速度和空間，進而控制加料閘門的開度，最終實現了在滿足精度要求下的最快裝車，系統結構如圖3所示。同樣地，張世懂等[33]分析現有裝車過程中刮板輸送機升降的控制方式，利用模糊控制理論的優勢，提出了采用PLC和模糊控制實現刮板輸送機升降控制的理論及方式，滿足了裝車系統的均勻化、高效化，提高了裝車的智能化程度，得到了實際應用。

圖3　定量倉加料閘門模糊控制系統結構

3.2神經網絡控制技術

神經網絡控制技術是20世紀80年代將人工神經網絡與控制理論相結合而發展起來的自動控制技術，它經歷了緩慢的發展過程之后現已慢慢成熟。神經網絡以其非線性、自適應和自學習功能等優勢在自動控制領域得到了較為廣泛的應用。

隨著智能控制技術的發展，神經網絡控制技術同樣被應用到快速裝車系統中。例如，高雄雄[34]指出,帶式輸送機系統具有明顯的純滯性、非線性、參數時變特性，而神經網絡控制算法具有很強的自主學習能力、逼近任意非線性表達能力和概括推廣能力，能夠很好地解決這一問題，故可將神經網絡控制技術應用到帶式輸送機上。神經網絡控制器結構如圖4所示。由圖4可知,神經網絡控制器由常規的PID控制器和神經網絡2個部分組成，其中常規PID控制器能直接根據輸送機輸出與預設值之間的誤差進行閉環控制，并且控制的3個控制參數可根據輸送機系統的運行狀況進行在線調整；同時，神經網絡也會不斷地調節、修正PID控制器的參數，從而達到精確控制輸送機轉速的效果；董修明等[35]針對裝車系統中定量倉易受物料裝載沖擊噪聲的影響和出現單個傳感器故障時嚴重影響系統運行等問題，設計了小波變換和徑向基神經網絡結合的算法，對稱量信號進行有效的去噪，并給出有效值代替故障傳感器信號，保障了系統的正常稱量。

圖4　神經網絡控制器結構

3.3專家控制技術

專家控制的實質是使系統的構造和運行都基于控制對象及控制規律的各種專家知識，而且要以智能控制的方式來利用這些知識，使得受控系統盡可能地優化和實用化。知識庫是專家控制的核心，知識庫中包含了該控制系統的結構、性能、工作原理等一系列事實和大量規則，專家水平的知識和經驗及專家控制所需要的一般常識性知識。并且，專家控制系統有自動歸納新知識和剔除舊知識的自學能力。

專家控制技術作為智能控制技術的一個重要分支，在快速裝車也有相應的應用。例如，為了實現輸送帶啟動張緊力和正常運行張緊力之間的安全、平穩、連續的變換，褚衍坤等[36]在常規PID控制算法基礎之上提出來了專家PID控制策略：專家控制過程中是根據拉力傳感器輸入值來調節不同階段液壓系統的壓力大小，進而精確控制了輸送帶的張力，控制結構如圖5所示。既實現了在較短時間內完成輸送帶從停機到啟動的過程，而且能快速平穩地實現啟動時張緊力的連續切換，響應速度快；張愉[37]以給煤機為研究對象,分析其給煤特性，設計了一種基于給煤量反饋的變頻控制系統，采用專家算法實現了給煤量的精確調節。

圖5　基于專家PID算法的帶式輸送機張緊裝置控制結構

4　結論與展望

近年來，煤炭快速裝車系統監測與控制技術取得了長足的發展，現已達到單車裝載速度不超過40s、裝載精度為±0.05%，極大地提高了裝車效率。在諸多監測環節中，儲煤倉以存在較多危險因素而研究最多。在智能控制系統上，模糊控制以適應性好、魯棒性較強等特點在快速裝車系統中的應用最為廣泛，如給料閘門的開閉、裝車刮板輸送機的升降、給煤機的給煤控制等都較多地應用了模糊控制技術。然而，從監測控制技術的角度來看, 仍有很多問題需要解決，比如傳感器的布置、數據的采集、信號在傳輸過程中易受干擾及監測手段的單一性等。由于研究煤炭快速裝車監測控制技術就是實現煤炭裝載的高效與智能化，因此,從這個角度來看，未來的發展趨勢和研究重點將主要集中在以下幾個方向：

(1) 融合監測技術。針對某些高危對象，從產生機理出發，將多種監測技術融合在一起形成融合監測方法，并且在一定規則下將采集的信號綜合處理和協調優化，以獲得被測對象的一致性解釋或描述。這樣，監測的精度、可信度均會得到大幅度提高。

(2) 無線傳感器監測技術。現有裝車系統主要采用有線監測方法，而無線傳感器監測方法相比有線監測方法，具有組網方便、簡單易行的優點，同時還可以實現遠程控制。因此，無線傳感器與智能技術相結合發展，向網絡化方向發展，也是未來的發展方向。

(3) 智能混合控制技術?？焖傺b車系統現有智能控制技術中以模糊控制應用最多，要繼續發揮模糊控制的優勢，兼以神經網絡控制、專家控制等為輔，采取并行控制和知識共享的策略，形成智能混合控制技術，并融合簡潔有效的優化算法，從而實現更加高效、智能的控制。

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Research status of monitoring and control technology of rapid coal loading system

WANG Yangyang1,BAO Jiusheng1,2,YIN Yan1,TANG Linli3,ZHANG Tao3

(1.SchoolofMechatronicEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 2.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofIntelligentMiningEquipment,Xuzhou221008,China; 3.XuzhouLianshuoAutomationEquipmentCompany,Xuzhou221149,China)

Basedonasimpleintroductionofrapidcoalloadingsystem,thepaperemphaticallydiscussedresearchstatusofmonitoringtechnologiesofitssubsystemsincludingcoalstoragesilo,coalconveyingsystem,weighingsystem,hydraulicsystem,vehiclelocationandidentificationsystem.Itsummarizedapplicationstatusofintelligentcontroltechnologiesincludingfuzzycontrol,neuralnetworkcontrolandexpertcontroltechnologyintherapidcoalloadingsystem.Finally,itpointedoutsomeimportantdevelopmenttendenciesofthemonitoringandcontroltechnologiesfortherapidcoalloadingsystem.

rapidcoalloadingsystem;monitoringtechnology;intelligentcontrol

1671-251X(2016)09-0027-06DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.007

2016-04-06；

2016-05-17；責任編輯：張強。

江蘇省產學研合作前瞻性聯合研究項目(BY2015023-06)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。

王洋洋(1990-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向為機械狀態監測與故障診斷，E-mail:cumtbjs@126.com。

鮑久圣(1979-),男,安徽桐城人，副教授，博士，主要從事煤礦機械及摩擦學方面的研究工作，E-mail:cumtbjs@126.com。

TD529

A網絡出版時間：2016-09-02 10:11

王洋洋，鮑久圣，陰妍,等.煤炭快速裝車系統監測與控制技術研究現狀[J].工礦自動化，2016,42(9)：27-32.