MG700 型刮板輸送機(jī)負(fù)載調(diào)速技術(shù)研究

李保盛

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）孝義煤礦管理分公司，山西 孝義 032300）

引言

我國煤礦資源豐富，近年來為了適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭的開采量也在增加。為了提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率，可建立一套基于載荷信息的控制系統(tǒng)，實時調(diào)整輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。

調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計目的是為了在不需要人工操作的情況下，實現(xiàn)刮板輸送機(jī)速度的調(diào)節(jié)，刮板運(yùn)輸機(jī)的速度應(yīng)與其所承受的負(fù)載密切相關(guān)，當(dāng)運(yùn)輸?shù)呢?fù)載較少時刮板輸送機(jī)可以減速運(yùn)行，在沒有負(fù)載的情況下還可進(jìn)行待機(jī)，由此可以極大地降低刮板輸送機(jī)的能耗，最終實現(xiàn)自動化、無人化的操作。刮板輸送機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)不僅提高了設(shè)備運(yùn)行的效率，提高了經(jīng)濟(jì)性，同時還提高了操作人員的安全性[1]。

1 綜采面的協(xié)同工作過程

在井下煤炭開采中，刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架三者之間協(xié)同配合，如圖1 所示為三種設(shè)備之間的布置關(guān)系。其中采煤機(jī)主要負(fù)責(zé)對煤巖進(jìn)行截割、破碎，在工作面內(nèi)可對一定范圍空間內(nèi)的煤炭進(jìn)行截割；刮板輸送機(jī)則主要負(fù)責(zé)將采煤機(jī)截割、破碎的煤炭源源不斷地往外輸送，需要不斷地根據(jù)煤炭的運(yùn)載量進(jìn)行調(diào)節(jié)；液壓支架主要負(fù)責(zé)對開采巷道的支護(hù)，確保作業(yè)設(shè)備與人員的安全，有助于提高開采效率。

圖1 綜采面協(xié)同作業(yè)示意圖

一般情況下，刮板輸送機(jī)在解決大角度煤炭的運(yùn)輸問題上具有明顯優(yōu)勢，采煤機(jī)可以在刮板輸送機(jī)軌道上運(yùn)行，采煤機(jī)的移動與安裝就方便了許多。為了保障井下作業(yè)人員的安全，在刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)之間設(shè)置有互鎖功能，確保兩種設(shè)備可以同時開啟與關(guān)閉，防止刮板輸送機(jī)停機(jī)時，采煤機(jī)仍在工作，只有兩者相互協(xié)調(diào)配合才能確保煤礦開采的順利進(jìn)行，保障人員與設(shè)備的安全[2]。

2 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先根據(jù)對井下傳感器所采集的數(shù)據(jù)，同時融入了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等技術(shù)。系統(tǒng)在分析刮板輸送機(jī)工作狀態(tài)的同時，根據(jù)其載荷情況自主決策，對輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。提高刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速是提高煤炭開采效率的必然選擇，但是刮板輸送機(jī)一直保持高速運(yùn)行，不僅會降低設(shè)備的使用壽命，還容易導(dǎo)致資源的浪費，因此需要根據(jù)刮板輸送機(jī)的載荷情況進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜、高度偶合的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件構(gòu)架

根據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以分為三層；首先是數(shù)據(jù)采集層，即在設(shè)備上布置信號傳感器，獲取比較關(guān)注的信息，數(shù)據(jù)采集層主要包括的設(shè)備有各類傳感器、編碼器、電流互感器等。其次是通信層，主要實現(xiàn)將井下環(huán)境中所采集的信號通過信號傳輸設(shè)備輸送至地面控制中心，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)。最后是數(shù)據(jù)處理層，結(jié)合可編程控制器以及上位計算機(jī)對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，得到刮板輸送機(jī)速率控制的輸入[3]。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器選型

要實現(xiàn)控制系統(tǒng)根據(jù)刮板輸送機(jī)載荷進(jìn)行自動調(diào)節(jié)與控制，就必須對刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備的工況參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與分析。傳感器可以將溫度、速度等物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號則可以進(jìn)行快速的傳遞，從而實時地對輸送機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)系統(tǒng)性能需求選擇傳感器型號，要求設(shè)備應(yīng)適用于井下工作環(huán)境，具有較好的可靠性。如圖3 所示，為本系統(tǒng)中所選取的溫度傳感器、電流互感器、軸編碼器的實物圖。

圖3 部分硬件選型實物圖

溫度傳感器采用GWP200 型，它是一種礦用本安型拆插入式溫度傳感器，在本系統(tǒng)中安裝在刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾處，用來測量電動機(jī)軸承溫度。電流互感器采用LMZ-1 礦用電流互感器，將其安裝在組合開關(guān)中，用來獲取刮板輸送機(jī)電流數(shù)據(jù)。軸編碼器采用VBW28 型礦用軸式編碼器，安裝于刮板輸送器的電機(jī)傳動軸上，獲取電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等信息[4]。

3.2 以太網(wǎng)平臺設(shè)計

綜采面工況復(fù)雜環(huán)境比較惡劣，常導(dǎo)致有線的通信設(shè)備發(fā)生故障，因此采取有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，無線Mesh 技術(shù)是下一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，具有兼容性強(qiáng)、抗干擾能力好等優(yōu)點，配備KJHT500 型礦用無線交換機(jī)，該交換機(jī)最大可提供200/2000 Mbps 的快速傳遞能力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動的基礎(chǔ)，通過搭建網(wǎng)絡(luò)通信平臺實現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)PLC、采煤機(jī)主控制PLC、控制系統(tǒng)的PLC 之間信息的交互傳遞，如圖4 所示，為基于刮板輸送機(jī)負(fù)載大小而實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖[5]。

4 載荷識別系統(tǒng)設(shè)計

刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速率應(yīng)該與實際的運(yùn)載量相關(guān)聯(lián)，使得設(shè)備之間密切配合，以提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率。在實際使用中，刮板上所運(yùn)輸?shù)呢浳锪渴菚r刻變化的，只能借助于智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)才能了解刮板輸送機(jī)的載荷情況，了解刮板輸送機(jī)的狀況，并做出正確的判斷決策。一般是需要對刮板輸送機(jī)的載荷情況進(jìn)行監(jiān)測，收集的數(shù)據(jù)，可給予BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并有效歸類，以此作為刮板輸送機(jī)控制的依據(jù)。從刮板輸送機(jī)不同載荷所監(jiān)測的數(shù)據(jù)入手，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分類，從而確定輸送機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)控制的大小，在此利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分類，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別系統(tǒng)的構(gòu)建過程可以簡單概況為如下三步[6-7]：

1）首先是分析數(shù)據(jù)的采用、收集與整理，由于算法本身基于離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此需要對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣。

2）對分析樣本進(jìn)行集約化處理，在減小樣本容量的同時可提高算法的識別度，即構(gòu)建識別參數(shù)的決策表。

3）根據(jù)整理得到的決策表，再提起隱藏于其中的規(guī)律，并以此作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，這一步對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練尤為重要，對后期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測判斷具有重要影響。最后構(gòu)建起基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的模式識別系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 載荷識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)

最后對系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行了不斷調(diào)試，最終實現(xiàn)了基于負(fù)載的刮板輸送機(jī)調(diào)速與控制，在軟件系統(tǒng)的主界面，顯示了刮板輸送機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、載荷、溫度等，系統(tǒng)是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的預(yù)測模型和調(diào)速模型，對刮板輸送機(jī)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歸類總結(jié)出刮板運(yùn)行的特點，以及轉(zhuǎn)速的控制，從而實現(xiàn)了對刮板轉(zhuǎn)速的實時調(diào)控。