刮板輸送機(jī)智能控制技術(shù)研究

楊東明

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)械有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

刮板運(yùn)輸機(jī)作為大運(yùn)量、高承載能力的煤礦機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備，主要由機(jī)頭、機(jī)尾、機(jī)身以及配套零部件和外部相關(guān)設(shè)備組成。目前煤礦常用的刮板輸送機(jī)智能化程度不高，在工作前需要預(yù)先設(shè)計(jì)好相關(guān)參數(shù)，如果遇到特殊環(huán)境條件，不能隨著實(shí)際工況自動進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，且運(yùn)輸物料時(shí)的相關(guān)參數(shù)不能實(shí)時(shí)讀取，對某些大傾角、大運(yùn)量工況的監(jiān)測信息不能滿足需求，不利于作業(yè)效率的提高。本文針對智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用進(jìn)行簡要分析[1]。

采煤裝備一體化程度發(fā)展迅速，信息化、智能化技術(shù)已逐漸應(yīng)用于刮板輸送機(jī)，但仍需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的信息化升級。目前，在變頻調(diào)速技術(shù)的驅(qū)動下，刮板輸送機(jī)自動化程度逐漸提高，減速器、刮板鏈和鏈輪軸組等容易發(fā)生故障的零部件都加裝了動態(tài)監(jiān)測和運(yùn)行評估系統(tǒng)。但整體而言智能化程度依然較低，故障監(jiān)測技術(shù)不全面，需要建立強(qiáng)可靠性的控制[2]。刮板輸送設(shè)備的智能控制技術(shù)研究可以使設(shè)備配套全面完善[3]。

1 刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

刮板輸送機(jī)在智能控制運(yùn)行系統(tǒng)的帶動下，可以在保持工作能力的同時(shí)，有效減少設(shè)備磨損和設(shè)備消耗，降低運(yùn)轉(zhuǎn)里程，延長使用壽命，提升勞動效率，利于減少煤礦井下工作人數(shù)[4]。

自動控制系統(tǒng)包含監(jiān)測與管理兩大內(nèi)容，控制子系統(tǒng)包括多個(gè)子模塊，根據(jù)不同需求實(shí)現(xiàn)不同功能。智能控制的核心是傳感、控制、保護(hù)、鏈條監(jiān)測與保護(hù)，其中智能調(diào)速健康管理是核心要素[5]。子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接到智能控制平臺的總線上，完成刮板輸送機(jī)鏈條的張力自動控制、軟啟動、變頻調(diào)速、多驅(qū)動點(diǎn)功率協(xié)調(diào)和基于設(shè)備信息融合的協(xié)同健康監(jiān)測控制功能，既能滿足實(shí)際生產(chǎn)力要求，還能有效降低設(shè)備的無效空轉(zhuǎn)損耗。智能控制集合了對驅(qū)動系統(tǒng)加速度、速度、動力學(xué)行為的干預(yù)，使刮板機(jī)在空載、滿載、負(fù)載突然加速、恒速狀態(tài)下保持高效狀態(tài)，提高運(yùn)輸效率，減少無效磨損。

智能控制系統(tǒng)使原有的輸送機(jī)在變頻軟啟狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)裝載量與運(yùn)行速度成正比的運(yùn)行方式，避免空載時(shí)仍按既定速度不變的方式運(yùn)行，降低不必要的磨損和能源消耗。

2 刮板鏈鏈條監(jiān)測與自動保護(hù)控制

鏈條張緊狀態(tài)是為了在傳動時(shí)得到一定的初拉力，所以在停機(jī)檢修時(shí)不能一直處于張緊狀態(tài)，否則會出現(xiàn)彈性變形的現(xiàn)象，容易在長期使用后產(chǎn)生疲勞變形，使疲勞強(qiáng)度降低。此時(shí)需要設(shè)置鏈條自動保護(hù)模式，在輸送機(jī)不工作時(shí)使鏈條松弛，釋放所受應(yīng)力。當(dāng)輸送機(jī)繼續(xù)工作時(shí)，在啟動指令的引導(dǎo)下，機(jī)尾自動開啟伸縮模式，為刮板鏈提供合適的預(yù)緊力。機(jī)尾采用電液控自動伸縮，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

鏈條監(jiān)測與自動保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的CPU，油缸的行程受位移傳感器控制實(shí)現(xiàn)推拉、收縮。為緩和沖擊，可以建立可調(diào)式節(jié)流閥，使整體動作更平緩。系統(tǒng)通過工業(yè)總線接口與各個(gè)子系統(tǒng)分站相連，形成配套工作面智能集控系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中的不同工況下采集實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到不同承載壓力下鏈條的張緊力數(shù)據(jù)，并反饋至系統(tǒng)中等候運(yùn)行控制指令。

控制器和監(jiān)測傳感器共同構(gòu)成了斷鏈監(jiān)測控制系統(tǒng)，傳感器的安裝位置是離機(jī)尾和機(jī)頭較近部位旁的偏轉(zhuǎn)槽上，對下鏈道的刮板鏈運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，檢測箱把所得到的信號傳遞到控制系統(tǒng)。當(dāng)斷鏈現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，傳感器感知到斷鏈的發(fā)生，通過監(jiān)測系統(tǒng)將異常信號發(fā)送給集控系統(tǒng)，發(fā)出故障報(bào)警，必要時(shí)自動停機(jī)。集控系統(tǒng)和刮板運(yùn)輸?shù)淖酉到y(tǒng)同時(shí)對斷鏈進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)，如果發(fā)生雙鏈斷裂時(shí)，其扭矩也可以經(jīng)過電機(jī)輸出，然后進(jìn)行停機(jī)檢修（圖1）。

圖1 斷鏈監(jiān)測自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 刮板機(jī)智能啟動和調(diào)速功能

針對啟動和運(yùn)行在不同工況階段的刮板機(jī)，首先需要對不同工況進(jìn)行明確感知。感知系統(tǒng)融合了信息技術(shù)和數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，相關(guān)零部件在進(jìn)行傳動時(shí)疊加矢量化信息，通過建立分析模型等方式對零部件的狀態(tài)進(jìn)行判斷，提供設(shè)備使用壽命剩余時(shí)間，同時(shí)在平臺顯示早期曾經(jīng)出現(xiàn)的故障，提醒用戶及時(shí)處置，降低事故發(fā)生時(shí)的運(yùn)行成本。

刮板控制系統(tǒng)需要監(jiān)測輸出功率、刮板的相關(guān)運(yùn)動速度、電流波動及頻率等。如果電機(jī)電流比較大，設(shè)備負(fù)荷也大，則需要進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，煤流方向與齒輪行走旋轉(zhuǎn)方向相同，同一方向電流變化次數(shù)的增多會導(dǎo)致切削速度變大。同理，煤流方向與齒輪行走旋轉(zhuǎn)方向相反，同一方向電流變化次數(shù)增多會導(dǎo)致切削速度的減小。采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)尾部速度大于頭部切割方向，轉(zhuǎn)速越大切割效果越好，所以充分利用運(yùn)動控制策略和控制參數(shù)，對采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的運(yùn)動往復(fù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動態(tài)調(diào)速。

刮板輸送機(jī)智能控制運(yùn)行系統(tǒng)可以智能啟動，其方式為分階段控制。在最初啟動時(shí)用預(yù)張緊控制策略，分別控制機(jī)尾、機(jī)頭的電機(jī)使輸送機(jī)底部的鏈條處于張緊狀態(tài)，帶動機(jī)尾和機(jī)頭電機(jī)啟動運(yùn)行。然后需要清理殘留的煤灰和煤渣，這時(shí)設(shè)定為高速運(yùn)轉(zhuǎn)。清理結(jié)束后進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)。最后按照設(shè)定工況負(fù)載進(jìn)行智能調(diào)速。

刮板機(jī)處于運(yùn)載或滿載狀態(tài)下，利用多參數(shù)混合邏輯控制方式進(jìn)行煤量檢測與智能調(diào)速。此時(shí)設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度由煤量的多少來決定，煤量越多轉(zhuǎn)速越大，當(dāng)空載狀態(tài)時(shí)進(jìn)入低速運(yùn)行，減少回轉(zhuǎn)次數(shù)、降低磨耗量，從而減少設(shè)備無效運(yùn)行次數(shù)，延長設(shè)備壽命。分級調(diào)速在在調(diào)速策略上的應(yīng)用，減少了因?yàn)樨?fù)載持續(xù)變化而經(jīng)常轉(zhuǎn)換速度。調(diào)速指令是按照優(yōu)先級和權(quán)重關(guān)系及綜合影響因素決定的。對煤量的檢測可以采用激光掃描雷達(dá)等非接觸式檢測方式，實(shí)時(shí)檢測煤量堆積程度。同時(shí)根據(jù)電機(jī)輸出力矩的變化判斷煤量增減程度，并綜合液壓支架、采煤機(jī)的位置參數(shù)及牽引動力條件、工作面的煤層特點(diǎn)等因素計(jì)算輸送機(jī)的裝載量。

各相關(guān)參數(shù)的取值權(quán)重影響著刮板輸送機(jī)調(diào)速控制的效果，有學(xué)者曾提出基于變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方法是采集電機(jī)的轉(zhuǎn)矩參數(shù)，然后通過軟件模型求解鏈速，在不對采煤機(jī)運(yùn)行速度做任何處理的情況下，結(jié)合采煤機(jī)自身的負(fù)載，使調(diào)速范圍達(dá)到給定速度的50%～100%，能夠減少機(jī)械損耗20%～30%。另外，減少斷鏈和降低故障磨損均能有效實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，可以將使用壽命提高20%左右。

4 多點(diǎn)驅(qū)動協(xié)調(diào)和專家智能監(jiān)測

可以結(jié)合實(shí)際功率負(fù)載情況，以平衡的方式動態(tài)地向機(jī)尾和機(jī)頭分別獲取功率，功率相等控制發(fā)生在重載環(huán)節(jié)，此時(shí)的不平衡度控制應(yīng)在2%以下，可以避免因電機(jī)產(chǎn)生功率不協(xié)調(diào)減少使用壽命。如果機(jī)尾和機(jī)頭獨(dú)立控制電機(jī)，就需要嚴(yán)格控制機(jī)尾的鏈條預(yù)緊力，防止預(yù)緊力過大，減少槽幫上沿出現(xiàn)較大壓力，在較為光滑的情況下運(yùn)行。同時(shí)在刮板輸送機(jī)與和其相連的轉(zhuǎn)載機(jī)、采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)相連處預(yù)先留出信息交互接口，保證主控制臺和各個(gè)子系統(tǒng)之間控制信息傳遞暢通，及時(shí)判斷掌握工況條件，調(diào)節(jié)運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)不同級別系統(tǒng)之間的能力匹配。

在進(jìn)行檢修時(shí)，刮板機(jī)的速度也要進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，并嚴(yán)格限制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，避免產(chǎn)生次生事故，防止設(shè)備對周圍環(huán)境和人員造成傷害。專家智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠以足夠大的組態(tài)、建模優(yōu)勢和豐富的分析界面，精準(zhǔn)記錄運(yùn)行參數(shù)，例如運(yùn)輸距離、時(shí)間及運(yùn)送距離，自主分析運(yùn)行時(shí)的速度、機(jī)器設(shè)備溫度負(fù)荷承受量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并以臺賬的形式建立數(shù)據(jù)庫。對運(yùn)行記錄和設(shè)備維檢記錄、開機(jī)率和運(yùn)輸工況進(jìn)行備份，利用多周期數(shù)據(jù)積累指導(dǎo)設(shè)備維修，也可作為遠(yuǎn)程專家故障診斷的依據(jù)。

5 狀態(tài)管理與診斷系統(tǒng)

電機(jī)等部件的監(jiān)測應(yīng)用了微型監(jiān)測部件，包括電阻元件、油位和油溫傳感器等。如果發(fā)現(xiàn)壓力過大或過小、油溫超過設(shè)定閾值，警報(bào)系統(tǒng)便會提示面臨的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)要及時(shí)保養(yǎng)刮板機(jī)的電源和電機(jī)。在有伸縮功能的機(jī)尾、機(jī)頭配備便于控制的電液控制器，尤其是機(jī)尾處，可以通過安裝并反饋壓力傳感器報(bào)送的數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)對張緊程度的預(yù)判，幫助提升傳動的質(zhì)量。

故障診斷系統(tǒng)用于結(jié)合采集到的來自傳感器或其他子系統(tǒng)的傳感器的信息，能夠有效地控制專用變頻調(diào)速系統(tǒng)，還能夠根據(jù)刮板輸送機(jī)的實(shí)際荷載量來調(diào)節(jié)速度，監(jiān)控減速器等相關(guān)機(jī)械的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行有效保護(hù)。

6 問題和展望

煤礦機(jī)械裝備的智能控制系統(tǒng)將產(chǎn)量、安全、目標(biāo)等因素綜合考慮，理想狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)多機(jī)智能協(xié)同控制，同步向各個(gè)煤機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測指令。在實(shí)際生產(chǎn)中，則經(jīng)常會遇到層級關(guān)系控制不明確、接口缺乏兼容性、數(shù)據(jù)平臺規(guī)劃欠缺統(tǒng)一等問題，當(dāng)某一煤機(jī)裝備出現(xiàn)故障時(shí)，需要同時(shí)調(diào)用其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致通信延遲、數(shù)據(jù)參差不齊等諸多問題。

因此，需要建立刮板輸送機(jī)全生命周期管理技術(shù)，通過射頻標(biāo)簽、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對刮板輸送機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、運(yùn)維及報(bào)廢等環(huán)節(jié)進(jìn)行全生命周期數(shù)據(jù)記錄、存儲、分析及挖掘，使刮板輸送機(jī)智能輸送決策更加科學(xué)，服務(wù)效能最大化，從而提升刮板輸送機(jī)智能輸送技術(shù)的可靠性及先進(jìn)性。

刮板輸送機(jī)智能監(jiān)控技術(shù)要結(jié)合數(shù)據(jù)價(jià)值提取，持續(xù)推進(jìn)設(shè)備優(yōu)化與改進(jìn)、建立故障診斷、運(yùn)行趨勢分析等功能，促進(jìn)國家能源發(fā)展實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)共享。