煤礦膠帶運輸系統優化控制分析

吳 震

（重慶工商職業學院 智能制造與汽車學院，重慶 401520）

我國煤炭資源豐富，目前大型煤礦開采大多依靠煤礦膠帶運輸機把開采的煤炭運輸到地面。隨著煤炭開采技術的日益提高，煤炭開采量巨大，對膠帶運輸機的要求也越來越高。目前煤礦膠帶運輸機大多具有運輸距離長、功率大、速度高的特點，所以煤礦膠帶運輸機使用能量較多。又由于目前很多煤礦膠帶運輸機的控制相對簡單，無論負載情況，只是按照設定的一個恒定速度運行，存在大量的能源浪費情況，并且設備在有無負載的情況都處于運行狀態，也增大了設備的損耗。目前，亟需對落后的膠帶運輸系統進行優化控制，達到節約能源、延長設備使用壽命、減少故障發生的目的。

本文將設計一套對煤礦膠帶運輸機的優化控制方案，首先對煤礦膠帶運輸機的負載、電流、電壓等數據進行實時監測，并且把相應數據數據反饋到控制系統的輸入端，通過智能算法對相應數據進行分析和處理，來調節膠帶運輸機的運輸速度，實現負載大快速運行、負載小慢速運行、空載不運行的效果，并且本文將開發上位機監測軟件，通過本地客戶端和遠程客戶端能夠監測到膠帶運輸機的運行情況。

1 煤礦膠帶運輸機基本結構與節能分析

1.1 煤礦膠帶運輸機結構

根據煤礦井下煤炭開采運輸的實際需要，膠帶運輸機應具有驅動運輸、制動、改向、裝料、卸料、張緊、清掃等功能。基于這些基本功能需要，膠帶運輸系統的基本結構一般具有驅動電機、托輥、皮帶、支架等部分起到支撐和運輸煤炭的作用；具有轉向裝置用來改變膠帶運輸系統的運輸方向；具有張緊裝置起到驅動電機帶動皮帶運行，并防止皮帶打滑和撕裂；具有裝料和卸料裝置，用來把開采的煤炭放置到皮帶上且運輸到目的地后能夠通過卸料裝置把煤炭從皮帶上卸下。同時，為了保障皮帶運輸系統安全運行減少故障，并為安全監測和智能控制提供數據，一般會根據需要在膠帶運輸系統中安裝傳感器來監測其運行狀況并進一步實施智能控制。單級膠帶運輸機的整體結構如圖1所示。

圖1 單級膠帶運輸機的整體結構圖

1.2 煤礦膠帶運輸系統節能分析

膠帶運輸機運行時的阻力主要包含由托輥、皮帶、煤料產生的摩擦力，這個主要阻力和這幾部分之間的摩擦系數、皮帶的長度、皮帶的重量、煤料在皮帶上的分布情況和重量、膠帶運輸機運行時的傾斜角度都有關系，主要阻力通過力學公式計算可得。除了主要阻力外，由于煤料放置到皮帶上時會產生慣性和摩擦阻力、驅動電機軸承偶然的阻力、皮帶的纏繞阻力等，膠帶運輸機運行時還會產生附加阻力。由于清掃皮帶、卸料摩擦、托輥前傾、煤料與導槽之間摩擦等因素影響，膠帶運輸機運行時還會產生特種阻力。另外，膠帶運輸機向上提升或向下運輸煤料時，膠帶運輸機還會產生傾斜阻力。這些阻力可以通過具體的公式和經驗大致計算得到，進一步控制影響這些阻力因素，來達到節能的目的。

理想狀況下，膠帶運輸機皮帶上的煤料填充率為100%，其阻力為額定阻力，運行速度為額定速度，這時節能效果最佳。但是由于煤炭開采的不確定性，無法保證每時每刻皮帶上煤料的填充率為100%。這時，就考慮對皮帶上煤料的填充率進行監測，使得皮帶上煤料填充率與膠帶運輸機運行速度正相關。當空載時膠帶運輸機以怠速運行，等待煤料添加到皮帶上，達到空載時最大節能效果；當皮帶上填充率未達到100%時，膠帶運輸機根據填充率的具體數據來降速運行，等待填充率逐步上升，膠帶運輸機運行速度也相應提升；當皮帶填充率帶到100%時，膠帶運輸機按照額定速度運行。

2 煤礦膠帶運輸機優化控制

2.1 膠帶運輸機優化控制思路

首先在煤礦膠帶運輸系統合適的位置上安裝皮帶秤、速度傳感器、扭矩傳感器、電壓電流傳感器等設備來實時監測膠帶運輸機的運行數據。然后通過智能算法進行數據分析，以此來判斷膠帶運輸機的填充率和運行效率。以膠帶運輸機的填充率等數據為輸入指標，通過比例積分微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制器來調節驅動電機的轉速，達到膠帶運輸機運行速度智能控制的目的，保持膠帶運輸機運行效率 最大化，避免空載和輕載情況下，膠帶運輸機仍然按照額定速度運行。

2.2 膠帶運輸機優化控制設計

PID控制是由比例、積分、微分控制相結合對系統進行控制，既能夠考慮到系統的響應速度，還能夠兼顧系統超調和變化趨勢等，有較好適應性和魯棒性。另外PID控制結構比較簡單，穩定性比較好，可靠性較高，控制精度較高。本文根據煤礦膠帶運輸系統工作實際情況和具體要求對其設計優化控制系統，通過實驗和理論計算來調節PID參數，達到最優控制目的，其控制原理如圖2所示。

圖2 膠帶運輸機控制原理圖

3 膠帶運輸系統監測設計

為了保障膠帶運輸系統安全運行，方便遠程和實時監測煤礦膠帶運輸機的運行狀況，本文開發基于瀏覽器/服務器（Browser/Server, B/S）+客戶端/服務器（Client/Server, C/S）混合架構網絡模 式監測軟件，來實時監測膠帶運輸的重要運行數據。這種混合網絡模式架構，在本地可以通過客戶端采用有線的方式實時監測膠帶運輸機運行數據，保證數據的實時性，當我們離開監測中心時，我們可以通過瀏覽器遠程監測膠帶運輸機運行數據。混合架構網絡模式如圖3所示。

圖3 混合模式結構圖

根據膠帶運輸系統監測數據的實際需要，本文開發監測軟件應具有實時數據顯示、實時趨勢曲線、數據分析、數據報表、超限報警等功能。其中，數據分析功能是本文基于組態王開發的監測軟件通過動態數據交換（Dynamic Data Exchange, DDE）技術調用Matlab軟件智能算法，分析得出膠帶運輸機皮帶填充率，進一步給定膠帶運輸機控制系統運行速度設定值，并通過PID控制器進行調節。監測平臺軟件架構設計如圖4所示。

通過監測軟件實時監測膠帶運輸機運行情況，需要首先登陸監測軟件系統，登錄界面需要正確的用戶名和密碼，否則將無法查看監測信息。

圖4 監測軟件架構

4 結語

本文針對煤礦膠帶運輸系統現存的能源浪費問題，研究了煤礦膠帶運輸結構，并對節能原理進行了分析，提出了根據煤礦膠帶運輸系統皮帶的負載情況進行智能控制的思想，通過安裝傳感器對膠帶運輸機運行情況的數據進行采集，并進一步對數據進行分析，得出膠帶運輸機最佳運行速度，并作為輸入傳遞給PID控制器，對膠帶運輸機進行閉環控制。此優化控制系統通過實驗能夠達到額定負載額定速度運行，輕載減速運行，空載怠速運行的目的，起到了節約能源的效果。

本文開發基于B/S+C/S混合架構網絡模式監測軟件，來實時監測膠帶運輸的重要運行數據。這種監測模式既保證監測數據實時性，也為遠程監測數據提供了方便。監測軟件監測數據全面，并具有數據分析功能，可以根據皮帶填充率得到最佳運行速度。對該優化控制系統的推廣和應用，有一定的工程實踐價值。