巴彥高勒煤礦皮帶輸送機智能調速系統研究

曹浩浩， 楊 東， 王杜垚

(內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司巴彥高勒煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017300)

1 前言

皮帶輸送機是煤礦井下主要運輸設備，同時設備額定運輸量普遍高于實際運輸需要，從而導致皮帶輸送機能耗大、磨損嚴重問題[1-3]。現階段礦井皮帶輸送機多采用變頻器實現軟啟動，但是變頻器在節能降耗方面功能未充分發揮[4-6]。巴彥高勒煤礦實際皮帶運行過程中，311308工作面巷道皮帶(DSJ140/300/4×500)和13盤區皮帶(DTL160/380/4×710)均為持續恒速運轉(4 m/s)，均通過永磁變頻驅動，巷道皮帶和13盤區大巷設計年運量可達到1 584萬t和2 006萬t左右，而實際上13盤區的年產量僅為400萬t左右，皮帶運行過程中存在嚴重的能耗浪費。本文以13盤區皮帶及311308工作面巷道皮帶為研究對象，設計皮帶機變頻調速智能控制系統，以便提高皮帶輸送機工作效率并降低設備運輸能耗。

2 智能控制系統結構

2.1 整體結構

皮帶輸送機智能調速控制系統根據功能可以分為皮帶輸送機控制單元、皮帶輸送機檢測單元、PLC 控制器單元和上位機數據分析處理單元[7]。傳感器及檢測儀表通過電子皮帶秤、速度傳感器和料流傳感器等，把皮帶瞬時煤量及帶速等運行參數轉換為模擬量，便于傳入 PLC。變頻器通過改變輸出電流頻率改變電機轉速，實現運行速度調節。智能控制系統整體結構如圖1所示。

圖1 智能控制系統整體結構

2.2 硬件結構分析

2.2.1 煤流傳感器確定

1)311308工作面巷道皮帶煤流量傳感器確定

考慮到皮帶機尾在工作面推進的過程中需要不斷的移動，電子皮帶秤、光波秤等稱重裝備不易于拆卸，井下工人工作強度較大，不推薦使用。推薦使用易于移動不需要校準的計量設備進行計量煤量。在充分分析目前國內外較為成熟的技術方案和礦井現狀的的基礎上，選擇了四個皮帶調速節能方案進行分析論證，各方案參數詳見表1[8-10]。

表1 各方案對比表

上述4個方案中，方案四(電流感應計量煤量)成本最低，但是該方案對煤流量變化不敏感，無法對瞬時煤量進行監測，容易造成堆煤事故，故不推薦方案四。方案一(料流傳感器計量煤量)、方案二(攝像頭計量煤量)、方案三(激光發射器加攝像頭計量煤量)均屬于非接觸法測量瞬時煤量，受限于井下的復雜環境，計量精度均不高；相較于料流傳感器，攝像頭計量準確度略高些，價格卻高出近7倍，考慮到投入費用和節能效果的平衡關系，推薦使用方案一，即根據料流傳感器計量巷道皮帶的瞬時煤量，實現 311308工作面巷道皮帶的速度智能調節。采用的料流傳感器型號為GL3- 24型，結構如圖2所示，技術參數見表2。

表2 料流傳感器主要參數

圖2 GL3- 24礦用隔爆型料流傳感器

2)13盤區大巷皮帶煤流量傳感器確定

13盤區大巷皮帶來煤方向主要是311308工作面和掘進工作面，可在工作面巷道機頭附近安設計量裝備對巷道煤量進行計量；掘進工作面不設計量裝備，結合實際最大出瞬時煤量進行估算。在充分分析目前國內外較為成熟的技術方案和礦井現狀的基礎上，選擇了單秤體電子皮帶秤，雙秤體電子皮帶秤和陣列式電子皮帶秤對皮帶計量進行分析論證，各方案參數詳見表3。

表3 煤量計量裝置對比表

綜合比較可知，雙秤體電子皮帶秤和陣列秤在稱重準確度，實物標定重復性、耐久性等方面均優于傳統的皮帶秤，故排除傳統的皮帶秤。陣列秤實際準確度僅比雙秤體電子皮帶稱高出0.05%，而價格卻高出25萬，故推薦使用雙秤體電子皮帶秤進行計量。考慮到井下工況等實際情況，本次選用ICS- 17JS電子皮帶秤，具體技術參數見表4。

表4 電子皮帶秤技術參數

3)傳感器安裝位置

工作面刮板輸送機及轉載機由于本身的結構不易于裝設煤量計量裝備，為及時采集巷道皮帶煤量，計量裝備應安裝在皮帶機機尾附近。在13盤區311308工作面巷道皮帶機機尾附近設置一臺料流傳感器，根據料流傳感器采集的瞬時煤量；在13盤區311308工作面巷道皮帶機頭附近設置一臺防爆電子秤，根據電子秤采集的瞬時煤量，對 13 盤區大巷皮帶的速度進行控制，具體電子秤布置方案如圖3所示。

圖3 電子稱布置方案

2.2.2 變頻器

變頻器通過改變輸入電機電流頻率來控制電機的轉速， PLC 通過輸出不同的模擬信號控制變頻器改變頻率，最終改變電機轉速，即皮帶輸送機的帶速。變頻器和各部分之間的關系如圖4所示。

圖4 變頻器線路連接圖

2.2.3 PLC

PLC的主控模塊用來數據存儲和邏輯運算，并擁有以太網通信模塊，可以通過 TCP/IP 協議，方便的連接上位機，進行數據傳輸，具體PLC與其他硬件連接情況如圖5所示。

圖5 PLC與其他硬件連接示意圖

在皮帶輸送機智能調速系統中PLC煤量輸入信號有兩個，一個為311308巷道的流傳感器輸入信號(4～20 mA)，另一個為13盤皮帶上的電子皮帶秤輸入信號(4～20 mA)；考慮到井下工況等實際情況，本次選用西門子PLC，具體參數見表5。

表5 PLC技術參數

2.2.4 上位機

上位機不僅能夠實時在線的監控皮帶輸送機系統的運行狀態和各個參數的變化，而且還具有強大的數據處理能力和計算能力。上位機由組態軟件力控來搭建系統界面及功能，上位機選用研華IPC- 610，配24寸顯示器。

3 皮帶輸送機智能控制

3.1 皮帶輸送機煤流量與帶速模型確定

為實現皮帶輸送機智能控制，首先應實現煤流量與帶速最優匹配。因此，構建皮帶輸送機煤流量、帶速和電動機功耗的BP神經網絡模型，并用遺傳算法優化BP模型參數，得出煤流量與帶速的最優匹配關系。

3.1.1 構建皮帶輸送機BP神經網絡節能模型

在輸送機煤流量變化比較小的時間段內設煤流量為Q，此時調節變頻器使得帶速從最小值Vmin經歷到最大Vmax，記錄每個速度V對應的功耗P，選取功耗最小值Pmin對應帶速V。這時得到一組數據：即煤流量為Q時、電動機功耗為最小值Pmin時所對帶速V。用相同的方法測得不同煤流量時帶速和最小功耗。通過現場測得61組實驗數據：即煤流量為Q1，Q2，Q3時，使得電動機功耗為最小為Pmin1，Pmin2，Pmin3時所對應的輸送機速度值V1，V2，V3，該實驗數據可作為建立BP神經網絡節能模型的樣本數據。

采用Matlab建立煤流量、帶速、電動機功耗間的BP節能模型，具體如圖6所示。隱含層的激活函數選擇S型激活函數，輸出層選擇線性激活函數。其中輸入節點數為 2，分別表示煤流量和帶速；輸出層節點數為1，代表皮帶輸送機電動機功耗。

圖6 BP網絡節能模型

圖6中，r為輸入維數，q為樣本個數，S1為隱含層節點數，S2為輸出層節點數，F1、F2分別為隱含層與輸出層的激勵函數，W1、W2分別為隱含層與輸出層的權值矩陣；B1、B2分別為隱含層與輸出層的偏差矩陣，A1、A2分別為隱含層與輸出層的輸出。經過構建BP神經網絡節能模型，進行循環訓練，當最大循環次數，訓練時間訓練誤差性能指標中有參數到達之前設定的數值時，此時完成訓練。這時便建立了帶式輸送帶煤流量，皮帶速度和電動機功耗三者之前的非線性節能模型，用測試得到的現場數據作為參考，對模型進行優化訓練。

3.1.2 遺傳算法優化BP網絡節能模型

在確定了皮帶輸送機BP神經網絡節能模型后，應用遺傳算法對該模型進行參數優化。遺傳算法優化BP神經網絡算法流程如圖7所示，圖中虛線部分為神經網絡算法部分。節能模型公式為：P=f(x1，x2)，式中，x1，x2為需進行優化的變量，分別代表皮帶輸送機的煤流量和皮帶速度。

圖7 遺傳算法優化BP神經網絡算法流程圖

現在假定皮帶輸送機煤流量x1為1 500 t/h，皮帶速度x2的取值范圍為(1.5，2)，即1.5～2 m/s。該問題可轉換為在區間[1.5，2]中找尋能使得P取最小值點的問題。所以[1.5，2]中的所有點x2就是所有個體，函數值f(x1，x2)則對應成為x的適應度，區間[1.5，2]成為它的解空間。根據13盤區現場情況，確定的遺傳算法適應度函數進化過程如圖8所示。

圖8 遺傳算法適應度函數進化過程

由圖8可知，遺傳算法得到的最優解為：當煤流量為1 500 t/h 時，帶速設置為 1.98 m/s，功耗為最小值 816.09 kW。在程序中改變X和Y值，可以得到皮帶輸送機煤流量為任意值時，使得功耗最小所對應的帶速值。

3.1.3 皮帶運量與速度最優對應關系確定

在煤礦實際生產中，皮帶輸送機在運行中，煤流量時刻在變動，而且變化范圍比較大，不可能固定在同一個值。所以結合優化結果和煤礦實際生產，煤流量一定變化范圍內, 通過遺傳算法得到最優的帶速，從而實現煤流量與帶速間的最優匹配，實現分階段調速。運量和速度對應關系具體見表6、表7。

表6 311308工作面巷道皮帶運量與速度最優對應關系

表7 13盤區大巷皮帶運量與速度最優對應關系

3.2 皮帶輸送機調速控制

采用合適的控制算法，根據得出的最優匹配結果設計模糊控制器，由PLC實現模糊控制，完成皮帶輸送機自適應節能控制。

3.2.1 控制方式選擇

常用的智能調速控制方案有PID控制、模糊控制等。PID控制是目前工業自動化領域應用最廣泛的線性控制系統，模糊控制是應用最廣泛的非線性控制系統。具體兩種控制方式對比結果見表8。模糊控制在魯棒性、抗干擾性和適應性等方面都明顯優于常規PID控制，但是在精確性方面劣于常規PID控制。考慮到皮帶輸送機系統的工作環境比較惡劣，經常會出現來自各方面的干擾和波動，而且相比精確性，穩定性顯得更為重要。綜合考慮，文中基于模糊控制理論設計合適的模糊決策實現皮帶輸送機節能控制。

表8 PID- 模糊控制比對結果

3.2.2 模糊控制器設計

為使皮帶輸送機節能運行，要合理匹配帶速V和煤流量Q，調節電流頻率f。模糊控制器的輸入量選取運行速度偏差E、運行速度偏差變化率EC，電流頻率f作為模糊控制器的輸出量。采用模糊控制來實現負載的智能跟蹤控制，具體控制系統過程如圖9所示。

圖9 皮帶輸送機變頻調速節能控制系統過程

3.3 控制方式選擇

本系統控制方式分為3種：集中控制、手動控制和就地控制。在這3種控制方式下，集中控制可以使系統運行按照與事先編輯好的程序運行；手動控制可以通過組態界面自定義的進行速度調節；就地操作模式可以讓工作人員在井下實地進行操作。針對以上所說的3種工作模式，在系統工作的過程中不能同時運行，在組態頁面上有3個按鈕可以控制3個控制方式。當智能調速系統出現故障時，皮帶自動調為高速，同時隔離智能節能系統，確保生產安全。

4 現場應用分析

4.1 現場應用情況

皮帶輸送機智能調速系統經過進行前期開發和現場安裝調試后，系統已在巴彥高勒煤礦13盤區皮帶和311308工作面巷道皮帶實現了皮帶分階段調速功能，系統進入工業試用階段。從系統運行至今，礦井現場信號采集、網絡傳輸和中心服務器均工作穩定，無硬件與軟件故障，在皮帶速度有效控制和節能降耗方面取得了較好的效果。具體智能調速系統系統運行情況如圖10所示。

圖10 智能調速系統系統運行情況

4.2 能耗節約效果

1)13 盤區大巷皮帶輸送機

13盤區大巷皮帶輸送機的最大運量為3 800 t/h，按照400萬t/a計算，平均運量約為758 t/h；系統使用前，運行速度為4.5 m/s，經計算，消耗的功率N軸=1 023 kW；系統使用后，平均速度為1.98×1.25=2.5 m/s(其中，1.25為安全系數)，經計算，消耗的功率N軸=673 kW；按上述功率計算，每年可以節電1 849 630度電，電費按0.46元/度，每年可以節省電費約計85.1萬元。

2) 311308工作面巷道皮帶輸送機

311308工作面巷道皮帶輸送機的最大運量為3 000 t/h，按照400萬噸/a計算，平均運量約為758 t/h；系統使用前，運行速度為4.0 m/s，經計算，消耗的功率N軸=918 kW；系統使用后，平均速度為1.76×2.0=3.5 m/s(其中，2.0為安全系數)，經計算，消耗的功率N軸=832 kW；按上述功率計算，每年可以節電453 845度電，電費按0.46元/度，每年可以節省電費約計20.9萬元。綜上所述，皮帶輸送機智能調速系統使用后，年節省電費近106萬元，由此可見，節電效果十分明確。

4.3 降低損耗效果

礦用皮帶輸送機在工作運行中，以電能消耗為主。此外，機械損耗也是一個非常重要而不能忽略的因素，這是由軸承、滾筒、托輥和皮帶之間的摩擦造成的。當帶速升高，其滾筒和軸承的轉速就會加快，因而機械損耗就增加。由于帶速的波動，由于皮帶輸送機運行的帶速不同，托輥與皮帶因為摩擦造成的損耗程度也不一樣。當輸送機速度降低時，在相同的時間內，托輥與皮帶因為摩擦造成的損耗也相應的降低，換句話說隨著帶速的降低，輸送帶的機械磨損度也隨之降低。

5 結論

(1)從煤礦皮帶運行和維護實際情況出發，針對目前在煤礦皮帶一直固定高速運行的問題，將變頻調速思維引入到煤礦皮帶設備管理領域，研發出一套皮帶輸送機智能調速系統。系統以料流傳感器及電子皮帶秤雙重煤量計量及PLC為核心，根據煤流量的實時檢測數據，通過PLC編程控制邏輯對變頻器進行調速，實現“煤多快跑，煤少慢跑”的智能調速功能。

(2)采用料流傳感器及電子皮帶秤對13盤區瞬時煤量進行計量，結合運量與速度的關系，分階段的控制皮帶速度，實現皮帶輸送機“煤多快跑、煤少慢跑”，避免空載、輕載高速運行現象，有效的節約電耗，從而達到節能降耗的目的。建立一套由料流傳感器與電子皮帶秤相結合的煤量計量體系，兩種計量方式相關校準，從而是計量更加高效準確。構建煤量與速度的模糊匹配體系，準確的掌握煤量與速度的對應關系，從而達到高效節能的目的。

(3)在應用實踐階段，經過巴彥高勒煤礦的試運行，本系統軟件及硬件工作運行穩定，實現了對皮帶輸送機的自動調速；減少了皮帶配件的磨損，降低了皮帶運行的耗電費用，提高了皮帶運行的效率，延長皮帶使用壽命，實現煤礦的節能降耗、高效安全生產。