基于節能控制的煤礦機電設備協同控制系統研究

平曉明

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西長治 046600）

0 引言

20世紀，由于我國煤炭資源開采技術較為落后，企業過于追求優質煤、高產量、高效益，我國的煤炭行業長期存在效率較低、浪費嚴重、消耗過多等現象[1]。因煤炭企業生產、運輸等環節存在大量的大型機電設備，如采煤機、刮板輸送機、通風機、運輸汽車等，這些機械設備又長期處于運轉狀態，使得煤炭企業能耗大且污染嚴重。現階段，國家大力提倡節能、高效發展[2]。因此，煤礦綜合生產系統需要積極推進節能新技術的應用，著重提高煤礦大型機電設備效率，減小耗能，大力推進基于節能控制的煤礦機電設備協同控制系統研究。不但可以降低煤礦能耗，而且符合我國建設能源節約型政策。

本文針對山西霍爾辛赫煤礦綜合生產系統中的大型機電設備以及各子系統進行分類，分析了各子系統的能耗占比，提出了加強設備間協同運行效率，建立了一套完整的協同控制技術[3]。

1 山西霍爾辛赫煤礦綜合生產系統分析

1.1 煤礦大型機電設備分類

鑒于山西霍爾辛赫煤礦綜合生產系統十分復雜，涉及到的大型機電設備也多種多樣，為此，將煤礦大型機電設備進行分類，按可移動性質分為移動設備和固定設備兩大類。

移動設備主要包括：煤礦井下采煤機、液壓支架和刮板輸送機、掘進機等。針對這些大型可移動式的設備進行監測較為困難。目前我國主要采用功率傳感器與高速紅外相機相結合的手段針對可移動式的機電設備進行監測[4]。

固定設備主要包括工作面通風機、空氣壓縮機、礦井提升機、水泵等，此類設備通常安放在固定的工作房內，不移動。這類固定式的大型機電設備監測較為簡單。現階段我國主要采用將傳感器安裝在設備核心部位或關鍵點，用于收集數據，對固定式的大型機電設備進行監測。

1.2 煤礦綜合生產子系統分類

煤礦綜合生產系統結構組成十分復雜，能耗各不相同。因此將煤礦綜合生產系統分為6個子系統。分別為：采掘系統、運輸系統、提升系統、壓風系統、通風系統和排水系統[5]。其包含設備及功能如表1所示。

表1 各子系統特點

1.3 子系統能耗數據分析

根據在山西霍爾辛赫煤礦統計資料，該礦2017年煤炭資源總生產量為1301123 t，總消耗電能48042萬kWh。根據收集得到的詳細數據可知，山西霍爾辛赫煤礦各個大型機電設備所處子系統耗電比例如圖1所示。

圖1 山西霍爾辛赫煤礦六大子系統耗電比例圖

通過對山西霍爾辛赫煤礦能耗圖分析可知，子系統中采掘系統耗電量最高。影響煤礦大型機電設備能耗因素可分為：自然因素、設備因素、管理因素和技術因素四種。本文主要從管理因素和技術因素兩方面針對基于節能控制的煤礦機電設備協同控制技術進行研究[6]。

2 山西霍爾辛赫煤礦大型機電設備效率優化及能耗分析

2.1 大型機電設備節能效率分析

通過分析山西霍爾辛赫煤礦能耗比例圖可知，煤礦綜合生產系統中采掘系統所占能耗比例最大，耗能最多，占煤礦綜合生產系統機電設備總能耗的25.25%。緊接著是運輸系統和提升系統，各占總能耗17%左右。煤礦綜合生產系統中六大系統的大型機電設備工作方式為串聯式流水作業方式或者為并聯式同時作業方式。因此，可以針對大型機電設備能耗量進行計算，設整個生產系統中有n臺大型機電設備，綜合考慮機電設備工作效率、工作時間等因素，可以推算出大型機電設備耗能的計算公式：

經過進一步推導，可以得到煤礦綜合生產系統總載荷：

式中：c為煤礦綜合生產系統總荷載；Pi為綜合能耗；βi為第i臺負荷；k為能耗系數；hi為設備提升高度；ηi為第i臺設備工作效率系數；φi為第i臺設備能耗因素。

根據以上公式可以得到，ni為煤礦綜合生產系統的開關狀態。當設備啟動時值為1，當設備關停時值為0；根據以上分析，可以初步確定山西霍爾辛赫煤礦大型機電設備運轉效率的理想曲線，如圖2所示。利用實際效率與理想效率誤差平方最小的原理出發，能夠完美地體現出煤礦生產過程中各子系統大型機電設備的工作效率特征。根據煤礦的年總產量，可以理想地確定出煤礦所需要的總機械功率，再根據該煤礦各子系統能耗所占比例乘以總功率，進一步計算得到各子系統每年所需要的功率。

圖2 煤礦機電設備運轉效率理想曲線

2.2 加強大型機電設備協同運行效率

煤礦綜合生產系統較為復雜，里面所涉及的大型機電設備較多，因此需要各系統之間緊密的配合，才能保證達到最佳效率。例如對于某工作面巷道掘進，首先要保證通風系統中通風設備正常運行，掘金系統中需要綜掘機正常工作，巷道支護中錨桿支護需要壓風機正常作業進行，運出的煤炭及矸石需要運輸系統的緊密配合運至井上[7]。因此，這就需要一個綜合的統籌調度機制，監測和協調各子系統之間的作業配合，選擇合適的流程和對接的時間點。確保煤礦綜合生產系統所有大型機電設備之間緊密配合，效率達到最高，能耗最低，實現煤礦大型機電設備協同控制。

3 煤礦機電設備協同控制技術應用

3.1 大型機電設備狀態監測

實現煤礦綜合生產系統機電設備系統控制，首先，應針對各子系統大型機電設備進行合理的可靠地監測，在設備的關鍵部位及核心部位安裝傳感器，用于收集各機電設備的工作數據。井下所需傳感器要求較高，需要具有線性度、靈敏度高、分辨率高、不遲滯等特點。建立一個完整的傳感器監測系統。

3.2 煤礦機電設備協同控制技術

將以上傳感器監測系統中監測得到的大型機電設備工作時的數據上傳至OneNET工作平臺，對此進行分析，并采用合適的調度算法對各子系統機電設備工作行為進行控制，實現各子系統設備間的協同化，及時調整各設備的工作狀態，保證各系統的機電設備都能保證更高效率、低能耗的工作狀態[8]。

4 工程實例

山西霍爾辛赫煤礦采用了基于OneNET工作平臺，表2為該礦各子系統大型機電設備采用協同控制技術前后的能耗對比。充分證明了采用大型機電設備協同控制技術之后，該礦各子系統能耗都有所降低，達到了節能的目的。

表2 山西霍爾辛赫煤礦采用協同控制技術前后對比

5 結論

本文針對山西霍爾辛赫煤礦綜合生產系統中的大型機電設備進行了分類，對各子系統進行分類，并分析了各子系統的能耗占比，并對大型機電設備理想效率進行分析，提出了要加強設備間協同運行效率，采用傳感器檢測系統和OneNET數據分析系統建立完整的協同控制技術，并在山西霍爾辛赫煤礦得到了成功應用。