基于負載自適應的刮板輸送機控制方案設計

趙瑞祥

（晉能控股煤業集團蓋州煤礦，山西 高平 048400）

引言

刮板輸送機基本結構由中部槽+刮板鏈條、鏈輪組件、機頭機尾電動機、機頭機尾變頻器以及機頭機尾減速器組成。機頭機尾變頻器根據中部槽中煤塊的負載驅動機頭機尾電動機運行，進而驅動中部槽刮板鏈條運行，將鏈條上的煤塊運輸至轉載破碎機。刮板輸送機的結構中還包括為采煤機提供往復運行的軌道以及導向裝置，保證采煤機的正確行走；還包括為液壓支架提供推溜的支點，使得液壓支架能夠完成推溜動作，使得采煤機、液壓支架以及刮板輸送機沿工作面推進方向前進[1-2]。刮板輸送機負載自適應控制問題，可表述為采煤機牽引運行時，刮板輸送機鏈速需協同調速，否則會出現刮板輸送機超載或輕載的問題。傳統煤礦用刮板輸送機為恒速運行，存在電能損耗較大的問題，造成電力資源的浪費[3]。文章基于Elman神經網絡以及模糊控制技術，設計基于負載自適應的刮板輸送機控制方案，使得刮板輸送機鏈速能夠隨負載的變化自適應調節，達到節能降耗、提高輸送效率的目的。

1 刮板輸送機功能簡介

刮板輸送機由機頭電機和機尾電機驅動鏈輪傳送動力，刮板鏈條與鏈輪嚙合，使得刮板鏈條沿中部槽做循環往復運動，將采煤機截割的煤塊轉運至轉載破碎機，并經帶式輸送機運輸至井上。刮板輸送機的驅動力由機頭電機和機尾電機提供，在工作時，機頭電機與機尾電機功率需要在一定范圍內平衡，否則對其電氣以及機械結構都會造成損傷。刮板輸送機運行的環境較為惡劣，煤壁落煤、矸石的沖擊，支撐地面的上下、左右傾斜都對其安全運行造成隱患。刮板輸送機還為采煤機提供運行軌道，需要適應橫向彎曲、縱向彎曲的復雜綜采工作面底板[4]。另外，刮板輸送機還為液壓支架提供推溜的支點，如果液壓支架推溜不到位，會造成刮板輸送機的水平面彎曲，形變較大時，會對其機械結構造成損害，或導致機頭、機尾電動機過載、過流等故障。刮板輸送機發生故障后，將導致與之配套的采煤機、液壓支架無法工作。

2 刮板輸送負載自適應模型

綜采工作面刮板輸送機自適應模型的本質是采煤機與刮板輸送機協同調速，在采煤機、刮板輸送機可調速度范圍內，保證刮板輸送機的負載合理，保持采煤機、刮板輸送機連續、高效運行；同時減少對采煤機、刮板輸送機的調速頻率，增加其機械使用壽命[5-6]。因此，刮板輸送負載自適應模型的實質是搜尋最優解的多目標優化問題。

令目標函數個數為m，決策變量個數為n的多目標優化問題可表示為式（1）-（5）：

式（1）為目標函數，具有m個優化目標，n個決策變量；式（2）為具有n維決策空間的決策變量；式（3）為具有m維目標空間的目標函數；式（4）以及式（5）為定義的不等式約束條件。

多目標優化問題較為復雜，一個目標改善后會導致另一個目標劣化，求解思路主要有兩種[7-8]：求目標函數的非劣解，在非劣解中選取最好解；將多目標優化問題轉換為一系列子目標（單目標）問題，并對各子目標函數分配權重，準確反應子目標問題對多目標問題的重要程度。權值一般采用線性加權和表示，如式（6）：

式中：Xf為f（x）子目標函數的非劣解集合，ωi為權值，且

將刮板輸送機負載自適應多目標問題分解為下述三個子目標問題：

1）采煤機牽引速度平穩性。采煤機的牽引速度調節以刮板輸送機負載變化為依據，劃分采煤時間段，在不同的時間段設置不同的牽引速度。為延長采煤機、刮板輸送機機械部件使用壽命，要求調速范圍小、調速頻率小、恒速運行時間長。以統計量方差作為采煤機牽引速度平穩性的度量，速度變化范圍可用式（7）表示：

式中：vsi為采煤機牽引速度樣本數據為樣本均值。

2）刮板輸送機速度平穩性。刮板輸送機的速度調節與采煤機牽引速度調節相同，其速度變化范圍可用式（8）表示：

式中：vci為刮板輸送機速度樣本數據為樣本均值。

3）刮板輸送機負載平穩性。刮板輸送機負載變化受采煤機滾筒截割速度變化影響，當采煤機截割電動機恒速運行時，刮板輸送機負載隨時間的變化范圍較小；當采煤機截割電動機變速運行時，刮板輸送機負載隨時間的變化范圍較大[9-10]。將載煤量的方差作為刮板輸送機負載平穩性的度量，載煤量變化范圍可用式（9）表示：

式中：Qi為刮板輸送機載煤量樣本數據為樣本均值[11]。

綜上可知，采煤機與刮板輸送機協同調速的評價函數可表示為式（10）：

3 刮板輸送負載自適應方案的實現

刮板輸送機負載自適應控制系統中，采煤機PLC控制器、刮板輸送機PLC控制器、變頻調速系統、負載電流互感器構成刮板輸送機負載電流閉環系統。采用Elman神經網絡學習并采集刮板輸送機負載電流，并形成歷史數據庫。對采煤機-刮板輸送機采用模糊PID控制后，刮板輸送機PLC控制器不斷檢測負載電流，對采樣值以及歷史數據庫進行計算，將與設定值的偏差e以及偏差變化率ec作為協同控制系統的輸入，利用PLC控制器的模糊PID模塊，調節變頻器對刮板輸送機機頭/機尾電動機的輸出，進而調節刮板輸送機負載電流，使其在設定范圍內變化。Elman-模糊PID調速PLC軟件流程見圖1。

圖1 刮板輸送機負載自適應方案調速PLC軟件流程

刮板輸送機負載自適應控制系統協同調速PLC軟件流程見圖2所示，首先規劃采煤機-刮板輸送機協同調速速度，當滿足調速觸發條件后，優先進行采煤機模糊PID調速過程，當采煤機牽引速度達到設定速度的±18%時，保持采煤機速度，對刮板輸送機進行模糊PID調速。當刮板輸送機鏈條速度調節達到設定速度的±18%時，保持刮板輸送機鏈條速度，形成Elman-模糊PID調速系統。刮板輸送機的PLC控制器實時循環監測負載電流值，如果該值不在設定范圍內，則進行采煤機-刮板輸送機協同調速過程，否則退出。

圖2 刮板輸送機負載自適應方案協同調速PLC軟件流程

4 試驗驗證

為驗證設計并實現的刮板輸送機負載自適應方案的有效性和適應性，進行工業性試驗。選用的刮板輸送機采用型號為SGZ630/220型可彎曲刮板輸送機，其主要技術參數見表1所示。

表1 SGZ630/220型可彎曲刮板輸送機主要技術參數

為驗證刮板輸送機負載自適應控制方案，將采煤機-刮板輸送機恒速運行作為對比試驗。定義采煤機恒速4.50 m/min，刮板輸送機鏈速為額定1.25 m/s，完成30-80綜采工作面截割，將刮板輸送機負載電流數據進行統計并作歸一化處理。對刮板輸送機11 min內的采煤機跟速度、刮板輸送機跟蹤速度、規劃運行負載電流以及恒速運行負載電流進行統計，如表2所示，共811個數據。結果表明：應用刮板輸送機負載自適應控制方案后，刮板輸送機負載電流長時間保持在設定范圍內，采煤機牽引速度與刮板輸送機鏈速的跟隨性較好，刮板輸送機超載、輕載甚至空載的現象大大減少，達到了節約電能的目的，提高了綜采工作面自動化水平，降低了工人的勞動強度，增強了采煤機、刮板輸送機運行的平穩性和可靠性。

表2 采煤機-刮板輸送機運行數據統計