基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

劉 寰，楊 挺，張瑞益，李小臘

(榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

刮板輸送機是煤礦工作面中的三大裝備之一，隨著煤礦開采效率的不斷提高，刮板輸送機的功率越來越大[1]。刮板輸送機的主要作用是將采煤機開采的煤礦資源進(jìn)行收集并輸送，同時為采煤機的移動提供軌道支撐。所以，整個煤礦開采過程中，刮板輸送機需要長時間連續(xù)工作，不可避免地會消耗大量的電力能源[2]。在我國大力倡導(dǎo)節(jié)能減排和努力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，如何降低采煤裝備的能源消耗是煤礦企業(yè)急需解決的問題，也是煤礦領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢[3]。利用先進(jìn)技術(shù)對刮板輸送機的負(fù)載大小進(jìn)行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對其運行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使運行速度與負(fù)載大小相匹配，能極大地減小設(shè)備運行的能源消耗[4]。以SGZ1250/2400型刮板輸送機為研究對象，通過對其負(fù)載大小進(jìn)行預(yù)測，并基于變頻調(diào)速技術(shù)對其運行速度進(jìn)行調(diào)控，在工程實踐中取得了良好的效果，對于提升刮板輸送機的運行穩(wěn)定性、促進(jìn)采煤領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實意義。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

刮板輸送機是采煤工作面三機裝備中的重要構(gòu)成部分之一。本文以煤礦中常用的SGZ1250/2400型刮板輸送機為對象進(jìn)行分析與研究。刮板輸送機的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刮板輸送機的主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Main structure diagram of scraper conveyor

該型號設(shè)備每小時可以輸送煤炭3 750 t，設(shè)計工作長度為350 m，共設(shè)置有2部電機驅(qū)動，每部電機功率為1 200 kW，正常工作時電壓為3 300 V，中部槽規(guī)格尺寸為1 750 mm×1 250 mm×367 mm，刮板之間的距離為912 mm。

由圖1可知，設(shè)備主要由傳動系統(tǒng)和機身本體兩大部分構(gòu)成，其中傳動系統(tǒng)包括電動機、液力耦合器、減速器等，機身本體包括刮板鏈、鏈輪、中部槽、刮板等[5]。

煤礦工作面三機裝備工作時，由采煤機開采獲得的煤炭會落到刮板輸送機上。刮板輸送機工作時，由電機提供動力來源，經(jīng)過液力耦合器、減速器后，通過主軸將動力輸入到鏈輪中，鏈輪與刮板鏈通過嚙合方式驅(qū)動，帶動刮板鏈作循環(huán)往復(fù)運動，刮板鏈與中部槽連接帶動中部槽運動，實現(xiàn)煤礦物料的運輸[6]。采煤是一個動態(tài)過程，開采得到的煤炭質(zhì)量時多時少。如果刮板輸送機長時間以額定速度運行，必然造成能源浪費。設(shè)備的負(fù)載與其驅(qū)動電機電流之間存在直接關(guān)系，負(fù)載越大則電機的電流越大。因此，可以通過電機電流來預(yù)測設(shè)備的負(fù)載大小，進(jìn)而對電機輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到降低電能消耗的效果。

2 輸送機調(diào)速方案和預(yù)測方法選擇

2.1 調(diào)速方案確定

采煤過程不可能完全均勻進(jìn)行，刮板輸送機輸送的煤炭質(zhì)量一般會隨時間變化。通過對設(shè)備負(fù)載進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對設(shè)備輸送速度進(jìn)行調(diào)整控制，能確保設(shè)備處于最佳狀態(tài)，不僅能提升設(shè)備運行穩(wěn)定性，還能節(jié)省電力消耗[7]。基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機調(diào)速方案框如圖2所示。

圖2 基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機調(diào)速方案Fig.2 Speed regulation scheme of scraper conveyor based on load prediction

由圖2可知，系統(tǒng)工作時，首先需要對刮板輸送機正常運行過程中的電機電流以及實際負(fù)載大小進(jìn)行檢測，通過對數(shù)據(jù)的分析，確定電機電流與實際負(fù)載之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)分析中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對刮板輸送機的負(fù)載大小進(jìn)行預(yù)測。對負(fù)載進(jìn)行預(yù)測時，需要使用的數(shù)據(jù)包括電機電流、齒輪嚙合頻率幅值等。利用該項技術(shù)能提前預(yù)測刮板輸送機的負(fù)載，并下達(dá)指令對設(shè)備的運行速度進(jìn)行控制，能有效規(guī)避傳統(tǒng)控制系統(tǒng)調(diào)速過程的滯后性。

在對刮板輸送機速度進(jìn)行調(diào)整時，采用模糊PID控制技術(shù)。此技術(shù)屬于閉環(huán)控制，對速度進(jìn)行調(diào)整時，需要不斷地對電機實際輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果作為反饋，直到實際輸出轉(zhuǎn)速與理想的轉(zhuǎn)速相同時才停止，因此具有較高的控制精度。齒輪嚙合頻率幅值可以很好地反映設(shè)備運行時負(fù)載的波動情況，若頻率幅值過大，說明設(shè)備運行速度相對較高，需要采取措施降低其運行速度；若頻率幅值過小，說明設(shè)備的速度相對較低，需要下達(dá)指令提升其運行速度。

2.2 負(fù)載預(yù)測方法選擇及其驗證

刮板輸送機的負(fù)載大小既有周期性特點，同時具備短時性特征。刮板輸送機工作時某時刻齒輪裂合頻率幅值與前期頻率幅值之間存在一定關(guān)系。通過對前段時間的電機電流以及齒輪嚙合頻率幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并利用設(shè)計的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，可以預(yù)測某時刻設(shè)備的負(fù)載大小[8]。基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刮板輸送機負(fù)載預(yù)測基本工作流程如圖3所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作時輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為某時刻前段時間的電機電流和齒輪嚙合頻率幅值，輸出結(jié)果為某時刻設(shè)備的負(fù)載大小。

由圖3可知，整個工作流程可分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立、模型訓(xùn)練以及模型驗證。輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)可分為訓(xùn)練集和測試集。訓(xùn)練集的作用是對網(wǎng)絡(luò)中的各項參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練后設(shè)置權(quán)值大小，測試集的作用是對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行檢測，確保模型精度。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程分為向前傳播和反向傳播兩種形式，向前傳播過程是對模型中的各種權(quán)值進(jìn)行確定，反向傳播過程是對確定的各項權(quán)值進(jìn)行驗證更新。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時會將訓(xùn)練結(jié)果與理想結(jié)果進(jìn)行對比，直到兩者之間的差值在系統(tǒng)設(shè)定的誤差范圍以內(nèi)時才停止訓(xùn)練。因此，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對負(fù)載進(jìn)行預(yù)測具有良好的預(yù)測精度。

圖3 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載預(yù)測流程Fig.3 Load forecasting flow based on convolutional neural network

為了對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度進(jìn)行驗證，對刮板輸送機不同時刻的齒輪嚙合頻率幅值進(jìn)行了預(yù)測，并將其與實際結(jié)果進(jìn)行對比，齒輪嚙合頻率幅值能反映刮板輸送機的實際負(fù)載大小，相關(guān)結(jié)果及兩者之間的誤差情況如圖4所示。

圖4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果對比Fig.4 Comparison between convolutional neural network prediction results and actual results

由圖4可知，頻率幅值的預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果之間具有非常好的吻合度，在開展的45次測試中，兩者之間的最大誤差為9.5%，平均誤差為4.38%。誤差在可以接受的范圍內(nèi)，能夠滿足調(diào)速系統(tǒng)的實際使用需要。

3 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計研究

3.1 調(diào)速控制原理

利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對齒輪嚙合頻率幅值進(jìn)行預(yù)測后，需要利用調(diào)速系統(tǒng)對刮板輸送機的實際運行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使實際運行結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相匹配。刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)的基本工作流程如圖5所示。

圖5 刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)工作流程Fig.5 Working process of speed control system of scraper conveyor

由圖5可知，獲得齒輪嚙合頻率目標(biāo)值后，控制系統(tǒng)啟動主動控制程序?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析對比，并下達(dá)控制信號通過Profibus_DP傳入變頻器中，變頻器根據(jù)控制指令對輸出的電壓頻率進(jìn)行調(diào)整。異步電機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電壓頻率之間存在緊密聯(lián)系，通過電壓頻率的調(diào)整，可以實現(xiàn)異步電動機輸出轉(zhuǎn)速的控制。在整個調(diào)速控制過程中，需要實時采集減速器齒輪嚙合實際頻率，并將結(jié)果反饋到主控制程序中，直到減速器齒輪嚙合頻率實際結(jié)果與目標(biāo)值相匹配，兩者之間的誤差在系統(tǒng)設(shè)定的誤差范圍以內(nèi)時為止，至此整個調(diào)速過程結(jié)束。

3.2 模糊PID控制器設(shè)計

模糊PID控制是將PID控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，形成復(fù)合控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮2種控制技術(shù)的優(yōu)勢，提升調(diào)速系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性以及控制精度[9]。模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)原理框如圖6所示。該控制器需要給定2個輸入量，經(jīng)過處理后輸出3個結(jié)果，中間基于模糊控制的思想對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中模糊控制部分包含4個內(nèi)容，分別為規(guī)則庫、模糊化、模糊推理以及解模糊化。

圖6 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Structure principle of fuzzy PID controller

圖6中，2個輸入量分別是某時刻齒輪嚙合幅值預(yù)測值與實際值的偏差以及偏差化率，根據(jù)以上結(jié)果進(jìn)行模糊化處理后，可以輸出PID控制中的3個關(guān)鍵參數(shù)，即比例因子KP、積分因子KI和微分因子KD。控制器在運行中可以根據(jù)下式對3個輸出因子進(jìn)行在線調(diào)整：

KP=KP0+ΔKP

KI=KI0+ΔKI

KD=KD0+ΔKD

式中，KP和ΔKP分別為比例因子的初始值以及在線調(diào)整量；KI和ΔKI分別為積分因子的初始值以及在線調(diào)整量；KD和ΔKD分別為微分因子的初始值以及在線調(diào)整量。

在設(shè)定模糊控制器規(guī)則庫時，根據(jù)輸入?yún)?shù)，可以對PID控制器中的3個輸出因子作如下調(diào)整。

(1)當(dāng)嚙合頻率幅值預(yù)測值和實際值之間的偏差相對較大時，為確保調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度以及響應(yīng)速度，可以適當(dāng)降低微分因子KD并增加比例因子KP，考慮到3個因子之間的相互關(guān)系，為避免KP調(diào)整量過大引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要對KI值進(jìn)行合理設(shè)定。

(2)當(dāng)輸入的2個量變化適中時，可以將KD和KI設(shè)置在適中水平，適當(dāng)降低KP的數(shù)值，這樣能夠規(guī)避調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象。

(3)當(dāng)預(yù)測值與實際值之間的偏差相對較小時，可以適當(dāng)調(diào)整KP和KI，使之處在一個較大水平，目的是提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，應(yīng)該將KD控制在合理水平。

(4)當(dāng)輸入的偏差變化率相對較大時，系統(tǒng)輸出的KI應(yīng)該適當(dāng)增大，同時將KP控制在較小水平，相反如果偏差變化率相對較小時，應(yīng)該適當(dāng)增加KP的輸出值，適當(dāng)降低KI的輸出值。

3.3 主控制器型號選擇

主控制器是調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心構(gòu)成部分，其性能好壞會對整個系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響。系統(tǒng)主要是綜合運用PLC控制器和變頻器對電動機的速度轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，控制器與變頻器之間基于Profibus_DP通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的雙向交互。PLC控制器經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，目前市場上有很多種型號的PLC控制器可供選擇，不同型號擁有各自的優(yōu)點。系統(tǒng)在充分考慮PLC控制器性能、運行穩(wěn)定性以及成本方面因素的基礎(chǔ)上，選用S7-300型PLC控制器。該控制器在工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用，且整體反映較好，完全能夠滿足礦井復(fù)雜的工況環(huán)境[10]。

S7-300型PLC控制器的結(jié)構(gòu)框如圖7所示。由圖7可知，PLC控制器采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，整個控制器以CPU模塊為核心，還包括電源模塊、通信模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，各個模塊具體型號見圖。由傳感器檢測得到的刮板輸送機狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以模擬量形式輸入到控制器中進(jìn)行分析，系統(tǒng)的各種開關(guān)狀態(tài)會以數(shù)字量信號的形式輸入到控制器中。反過來，控制器也可下達(dá)數(shù)字量或模擬量信號指令對開關(guān)或傳感器等硬件設(shè)施進(jìn)行控制。控制器不同模塊對供電電壓需求存在差異，主要包含24 V和5 V兩種電壓，電源模塊的作用是將外界輸入的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出2種電壓以供不同模塊使用，保證各模塊能夠正常運行。通信模塊的作用是將控制器與上位機連接，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機顯示器中進(jìn)行實時展示，以便工作人員實時掌握刮板輸送機的運行狀態(tài)。另外，工作人員也可通過上位機輸入控制指令，并通過通信模塊下達(dá)到PLC控制器中，控制器根據(jù)指令對刮板輸送機進(jìn)行調(diào)整控制，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。

圖7 S7-300型PLC控制器的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of S7-300 PLC controller

4 應(yīng)用效果分析

為了對設(shè)計的基于負(fù)載預(yù)測的刮板輸送機調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行驗證，根據(jù)以上設(shè)計方案，將其應(yīng)用到刮板輸送機工程實踐中。目前調(diào)速系統(tǒng)在工程中已應(yīng)用3個月，使用期間對系統(tǒng)運行情況進(jìn)行觀察記錄。根據(jù)現(xiàn)場人員反饋，發(fā)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，系統(tǒng)可以根據(jù)刮板輸送機電機的電流大小對其負(fù)載進(jìn)行精確預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對其速度進(jìn)行調(diào)整控制，達(dá)到了節(jié)能減排的效果，刮板輸送機的電能消耗量與前期相比有了大幅度降低。調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用前后刮板輸送機的電耗統(tǒng)計情況如圖8所示。

圖8 調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用前后刮板輸送機的電耗情況統(tǒng)計Fig.8 Statistics of power consumption of scraper conveyor before and after application of speed regulation system

由圖8可知，相同時間內(nèi)，刮板輸送機定速運行時，輸送原煤63 923.81 t，電能消耗114 720 kWh。應(yīng)用調(diào)速系統(tǒng)后相同時間內(nèi)運輸煤炭74 213.57 t，電能消耗114 640 kWh。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計算得到，系統(tǒng)應(yīng)用前和應(yīng)用后的噸煤電能消耗量分別為1.79、1.55 kWh/t。可見，調(diào)速系統(tǒng)的使用使刮板輸送機的電能消耗量出現(xiàn)了明顯降低，降低幅度達(dá)13.4%，為企業(yè)節(jié)省了大量的電能支出成本。

另外，調(diào)速系統(tǒng)的投入使用使刮板輸送機無需長時間高速運轉(zhuǎn)，各機械零部件之間的磨損現(xiàn)象出現(xiàn)了一定程度地降低，使得設(shè)備的運行穩(wěn)定性提升，故障率降低。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障率降低了10%左右，在保障設(shè)備運行安全的同時，還可以為企業(yè)節(jié)省一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，安全效益和經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論

以煤礦中的SGZ1250/2400型刮板輸送機為對象，設(shè)計了基于負(fù)載預(yù)測的調(diào)速控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到工程實踐中，效果良好。

(1)根據(jù)某時刻刮板輸送機電機電流以及齒輪嚙合頻率幅值數(shù)據(jù)信息，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)刮板輸送機實際負(fù)載大小的預(yù)測，經(jīng)過實踐測試發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果具有相對較高的精度，平均誤差只有4.38%。

(2)完成刮板輸送機負(fù)載預(yù)測后，利用模糊PID控制技術(shù)對設(shè)備的實際速度進(jìn)行調(diào)整控制，使之與實際的煤礦輸送量相匹配。此技術(shù)充分結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)勢，形成了一個復(fù)合控制系統(tǒng)。

(3)主控制器選用S7-300型PLC控制器，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，主要包括電源模塊、CPU模塊和各類信號輸入或輸出模塊等。配合變頻器可以實現(xiàn)電動機輸出轉(zhuǎn)速的有效控制。

(4)將設(shè)計的調(diào)速方案應(yīng)用到煤礦工程中，經(jīng)過3個月現(xiàn)場測試，系統(tǒng)運行良好，可以對設(shè)備的運行速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使設(shè)備故障率降低了10%左右，電能消耗降低了13.4%左右，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益和安全效益。