采煤機與刮板輸送機的協同調速控制策略的研究

劉小兵

（山西煤炭進出口集團鹿臺山煤業， 山西 晉城 048200）

引言

煤炭在未來很長一段時間內依然會在我國能源結構中占據主導地位，因此不斷提升煤炭綜采設備的機械化程度、自動化水平及其可靠性尤為重要。采煤機、刮板輸送機以及液壓支架作為綜采工作面的三大機電設備，三種設備之間的協同效率直接決定工作面煤炭的開采效率。刮板輸送機是采煤機運行的軌道，同時也是液壓支架推溜拉架的支點，可見刮板輸送機對于煤炭開采的重要性[1]。在實際生產中，刮板輸送機的運行負載是由采煤機的截割效率、位置等決定的。一般地，刮板輸送機的運行負載均按照最大負載計算，從而出現“大馬拉小車”的情況。為實現刮板輸送機與采煤機的協同運行，促使二者的輸送能力相匹配，急需解決二者之間的協同調速控制技術。本文著重研究采煤機與刮板輸送機的協同調速控制策略。

1 采煤機與刮板輸送機的配套工作過程

采煤機、刮板輸送機以及液壓支架作為綜采工作面的三大關鍵機電設備，其兩兩設備之間的配套不僅要求其尺寸、生產能力相匹配，而且要求在工作時能夠相互配合[2]。綜采工作面刮板輸送機、采煤機以及液壓之間的配套關系如圖1 所示。

圖1 綜采設備的配套關系示意圖

如圖1 所示，采煤機沿著刮板輸送機的軌道運行，刮板輸送機還與液壓支架鉸接實現液壓支架的推溜、移架操作。為避免采煤機、刮板輸送機的重載運行，在二者的電氣控制系統中實現兩機電設備的啟停互鎖[3]。即，采煤機啟動前需確保刮板輸送機已運行；待確認采煤機停機后才能將刮板輸送機停機。

2 采煤機與刮板輸送機的協同調速控制方案

目前，針對采煤機與刮板輸送機的協同運行僅僅停留在二者的聯鎖運行、順序啟停控制以及智能延時停機控制上。上述協同控制項目無法滿足實際生產的需求，導致刮板輸送機在運行過程中的負載變化大且常處于輕載運行狀態或者過載停機狀態。

為實現刮板輸送機的負載與采煤機的工作效率相匹配，設計如圖2 所示的協同調速控制系統。

圖2 采煤機與刮板輸送機協同調速控制系統

采煤機的截割量與其速度相關，因此可通過控制采煤機的速度實現對產煤效率的調整，進而實現刮板輸送機工作能力與采煤機產煤效率的匹配運行。基于協同調速控制系統對采煤機、刮板輸送機的運行速度以及刮板輸送機的電流值進行實時監測。當監測到刮板輸送機載荷突變時，基于協同調速系統對刮板輸送機和采煤機的速度進行實時調整。

3 采煤機與刮板輸送機協同調速控制系統的設計

鑒于綜采工作面集粉塵、瓦斯、易燃易爆等威脅源的存在，要求協同調速控制系統能夠在惡劣的工作環境下運行[4]。為此，將協同調速控制系統分割為采煤機調速系統、刮板輸送機調速系統以及順槽遠程協同調速系統三部分。

3.1 采煤機調速系統的設計

基于采煤機調速系統能夠通過相關傳感器實現對采煤機的實時工作狀態參數進行監測，并根據生產需求通過PLC 控制器實現對其牽引速度的控制和閉鎖保護等功能。根據控制需求，本文僅對調速系統的關鍵部件進行選型設計。其中，所選PLC 控制器的型號為西門子s7-300；所選用于監測采煤機位置編碼器的型號為BQH24；所選用于數據通信交換機的型號為KJJ12 本安型交換機。

3.2 刮板輸送機調速系統的設計

基于刮板輸送機調速系統能夠基于相關傳感器對刮板輸送機的速度、電流等信號進行監測，并通過PLC 控制器實現對刮板輸送機鏈速的控制，從而實現對刮板輸送機的遠程控制和保護閉鎖功能。其中，所選PLC 控制器的型號為西門子s7-300，所選監測刮板輸送機電流設備的為LMZ-1 型電流互感器等。

3.3 順槽遠程協同調速系統的設計

基于順槽遠程協同調速系統實現采煤機與刮板輸送機的協同控制。基于順槽遠程協同調速系統中的PLC 控制器實現對刮板輸送機負載電流的預測、刮板輸送機與采煤機協同速度的規劃及其調速策略的設計[5]。

4 采煤機與刮板輸送機協同調速控制策略的設計

PID 和模糊PID 控制算法為當前用于工業中最為廣泛的控制算法。因此，采煤機與刮板輸送機的協同調速控制系統擬采用模糊PID 的控制策略。

4.1 原理分析

模糊PID 控制算法是在常規PID 控制算法的基礎上融合模糊控制原理所得控制算法。即，基于模糊控制規則對常規PID 控制器中的積分、微分以及比例參數進行實時調整，從而得到模糊PID 控制器。模糊PID 控制器的結構框圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器結構框圖

4.2 協同控制策略的設計

經過反復試驗，得出適用于協同控制的模糊PID 控制器的三個參數分別為：比例系數KP0=0.2；積分系數KI0=0.026；微分系數KD0=0.39。

為驗證上述參數模糊PID 控制器的控制性能，本文對比不同階躍信號下模糊PID 控制器與常規PID 控制器控制效果。本文所選擇的階躍信號如下所示：

不同階躍信號下，常規PID 控制器和模糊PID控制器的控制效果對比如表1 所示。

表1 常規PID 控制器與模糊PID 控制器控制效果對比

如表1 所示，基于模糊PID 控制器能夠改善采煤機與刮板輸送機協同調速控制系統的動態特性，降低控制過程中超調量，縮短控制所需的調節時間和上升時間，提升了協同控制系統的響應特性和抗干擾性能。

5 結論

1）作為綜采工作面的關鍵機電設備，在實際生產過程中采煤機與刮板輸送機是相輔相成的，應確保刮板輸送機的運輸能力與采煤機的實時截割能力相匹配，避免刮板輸送機出現過載或輕載的運行狀態。

2）基于PLC 控制器通過順槽遠程調速系統實現采煤機與刮板輸送機的協同調速控制，并為系統設置了模糊PID 控制器并確定比例系數KP0=0.2，積分系數KI0=0.026，微分系數KD0=0.39。