基于工作負載變化的帶式輸送機智能控制系統設計研究

衛晉鵬

（晉能控股晉城煤炭事業部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 概 況

帶式輸送機是煤炭開采工藝環節中的關鍵運輸設備。礦井內作業環境惡劣，帶式輸送機的工作載荷變化較大，尤其是開采后剝落的煤炭物料重量在時刻發生變化。如果帶式輸送機始終按照相同輸送功率進行開展運輸作業，很容易造成輸送機的傳送帶磨損加劇甚至斷裂的情況發生，而當輸出功率小于運載力時，就會造成電能浪費。因此，以胡底煤業DTL120 型帶式輸送機為研究對象，設計出帶式輸送機智能控制運輸系統，控制帶式輸送機根據荷載情況適時調整輸出功率。

2 智能調速系統節能分析

減少電能的消耗以及提升電機功率輸出效率是智能調速控制系統設計的目標。結合相關行業標準和現場實際工況條件，帶式輸送機的運行功率主要分為4 種類型，分別為空載功率、水平運行功率、提升功率和輔助功率等。帶式輸送機的能耗除與上述4 個功率因素有關外，還與帶式輸送機的長度、皮帶的傾角、提升高度等因素有關，其中影響能耗最大的兩個因素是煤流量和皮帶速度。

煤礦企業生產用電需求量較大，通常根據功率參數選型驅動電機時，出于安全冗余考慮，都會選取比帶式輸送機滿載運行時所需要的功率大1.5 倍的設備。但電機滿載輸出功率的情況較少，輕載和空載的運行時間占到整個載荷過程的85%，造成電能浪費。

3 智能控制系統設計

3.1 系統組成及工作原理

智能調速控制系統由變頻器傳輸、邏輯控制、傳感器采集三大模塊組成。變頻器實現皮帶和驅動電動機能夠按照自適應的方式調節自身速度；邏輯控制功能由工控機PLC 與上位機聯合實現，將傳感器收集的模擬量轉化為數字信號，進行分析決策，控制系統的關鍵動作（如制動、張緊、變頻等）；超聲波及速度傳感器傳感器負責底層的數據采集工作，傳感器收集信號信息以及模擬量數據，根據配電柜的電流數據判斷帶式輸送機的瞬時功耗。控制系統根據瞬時煤炭載荷量和皮帶速度對功率進行合理調整。以模糊控制算法為核心，建立包含皮帶速度、載荷、能耗3 個關鍵量的模糊控制模型，得到載荷與皮帶速度的最優關系，控制系統結構如圖1 所示。

圖1 智能調速控制系統組成Fig.1 Intelligent speed control system composition

3.2 智能控制方案

由于不同時間段內開采的煤流量不是均勻的，控制系統在檢測煤流量時，通常是前面通過后一段皮帶的煤流量，在數據采集方面存在滯后性。因此，煤流量的載荷與皮帶速度相對應的是模糊概念，應采用模糊控制算法實現智能調速控制。以PID 模糊控制算法為手段，將誤差e、誤差變化率∑e 作為輸入量，在控制器后段加入積分環節，實現模糊PID 控制。帶式輸送機的每個控制數據分為一個等級，并且每一個數據作為一個輸入量，將輸出量與輸入量對應明確的計算規則，具體智能控制流程如圖2 所示。

4 智能控制系統功能實現

4.1 系統硬件選型

對帶式輸送機智能控制系統的傳感器數據設備進行選型，設備均應符合防水、防潮、防爆要求，能夠適應煤礦惡劣的工作環境。選取本質安全性能優異的GSH200 型傳感器作為速度檢測裝，變頻調速裝置選用防爆型設備，根據額定輸入電壓和輸入功率選取BPJ-500/1140V 型變頻器。選用PLC 工業控制器，型號為CPU—224XPCN。速度傳感器將檢測到的數據通過I/O 接口傳輸至PLC 控制系統，并對速度大小進行修正，使輸送量與帶速始終處于最佳比例。此外，帶式輸送機智能控制系統還包括激光掃描儀、液力耦合器、電動機、上位機等輔助性設備。

圖2 帶式輸送機PID模糊控制流程Fig.2 PID fuzzy control process of belt conveyor

4.2 自適應PID 控制系統仿真結果分析

利用Simulink 建立PID 控制系統、模糊控制系統，如圖3 所示。建立自適應模糊PID 的仿真模型，如圖4 所示。對比分析兩種控制系統對帶式輸送機皮帶速度調節方面的響應速度。

從圖5 階躍響應曲線可以看出，隨著時間的推移PID 控制的超調量1.304，自適應模糊PID 控制超調量在1.081 左右，超調量更小，響應速度更快；PID 控制在11.87 s 之后達到穩態，自適應模糊PID 控制在6.848 s 之后達到穩態，穩態性能更好。在16～18 s 加入干擾信號，可以發現自適應模糊PID 控制抗干擾能力較強。

結果表明，自適應模糊PID 控制能更好的對輸送機進行智能調速，可以解決帶式輸送機復雜系統非線性時變問題，改善了模糊控制穩態精度，提高了控制系統的動靜態性能。試驗結果顯示自適應模糊PID 控制能夠滿足帶式輸送機智能控制系統在實際工程應用中的響應特點，符合實際應用環境情況。

圖3 PID控制系統Fig.3 PID control system

圖4 自適應PID的仿真系統Fig.4 Simulation system of adaptive PID

圖5 階段響應曲線Fig.5 Phase response curve

5 結 語

根據帶式輸送機在工程的實際應用狀況，發現帶式輸送機的輸出功率與實際所搭載的煤炭重量不相匹配，造成了能耗的損失，降低了運輸的效率。根據胡底煤業DTL120 型帶式輸送機實際情況，建立了基于實時輸送量（負載） 的帶速調整系統。通過對帶式輸送機控制系統的分析，確定采用自適應模糊PID 系統，并進行仿真模擬，表明該系統相比傳統PID 控制系統具有更好的穩態性能、更快的響應速度。研究設計出的智能控制系統結合自適應模糊PID 系統提升了帶式輸送機的能耗利用率。