基于節(jié)能控制的煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)研究

平曉明

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 046600）

0 引言

20世紀(jì)，由于我國(guó)煤炭資源開采技術(shù)較為落后，企業(yè)過于追求優(yōu)質(zhì)煤、高產(chǎn)量、高效益，我國(guó)的煤炭行業(yè)長(zhǎng)期存在效率較低、浪費(fèi)嚴(yán)重、消耗過多等現(xiàn)象[1]。因煤炭企業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)存在大量的大型機(jī)電設(shè)備，如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、通風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸汽車等，這些機(jī)械設(shè)備又長(zhǎng)期處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得煤炭企業(yè)能耗大且污染嚴(yán)重。現(xiàn)階段，國(guó)家大力提倡節(jié)能、高效發(fā)展[2]。因此，煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)需要積極推進(jìn)節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用，著重提高煤礦大型機(jī)電設(shè)備效率，減小耗能，大力推進(jìn)基于節(jié)能控制的煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)研究。不但可以降低煤礦能耗，而且符合我國(guó)建設(shè)能源節(jié)約型政策。

本文針對(duì)山西霍爾辛赫煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中的大型機(jī)電設(shè)備以及各子系統(tǒng)進(jìn)行分類，分析了各子系統(tǒng)的能耗占比，提出了加強(qiáng)設(shè)備間協(xié)同運(yùn)行效率，建立了一套完整的協(xié)同控制技術(shù)[3]。

1 山西霍爾辛赫煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)分析

1.1 煤礦大型機(jī)電設(shè)備分類

鑒于山西霍爾辛赫煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)十分復(fù)雜，涉及到的大型機(jī)電設(shè)備也多種多樣，為此，將煤礦大型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行分類，按可移動(dòng)性質(zhì)分為移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備兩大類。

移動(dòng)設(shè)備主要包括：煤礦井下采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等。針對(duì)這些大型可移動(dòng)式的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)較為困難。目前我國(guó)主要采用功率傳感器與高速紅外相機(jī)相結(jié)合的手段針對(duì)可移動(dòng)式的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。

固定設(shè)備主要包括工作面通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、礦井提升機(jī)、水泵等，此類設(shè)備通常安放在固定的工作房?jī)?nèi)，不移動(dòng)。這類固定式的大型機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)較為簡(jiǎn)單。現(xiàn)階段我國(guó)主要采用將傳感器安裝在設(shè)備核心部位或關(guān)鍵點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)，對(duì)固定式的大型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2 煤礦綜合生產(chǎn)子系統(tǒng)分類

煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成十分復(fù)雜，能耗各不相同。因此將煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)分為6個(gè)子系統(tǒng)。分別為：采掘系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)[5]。其包含設(shè)備及功能如表1所示。

表1 各子系統(tǒng)特點(diǎn)

1.3 子系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)在山西霍爾辛赫煤礦統(tǒng)計(jì)資料，該礦2017年煤炭資源總生產(chǎn)量為1301123 t，總消耗電能48042萬(wàn)kWh。根據(jù)收集得到的詳細(xì)數(shù)據(jù)可知，山西霍爾辛赫煤礦各個(gè)大型機(jī)電設(shè)備所處子系統(tǒng)耗電比例如圖1所示。

圖1 山西霍爾辛赫煤礦六大子系統(tǒng)耗電比例圖

通過對(duì)山西霍爾辛赫煤礦能耗圖分析可知，子系統(tǒng)中采掘系統(tǒng)耗電量最高。影響煤礦大型機(jī)電設(shè)備能耗因素可分為：自然因素、設(shè)備因素、管理因素和技術(shù)因素四種。本文主要從管理因素和技術(shù)因素兩方面針對(duì)基于節(jié)能控制的煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)進(jìn)行研究[6]。

2 山西霍爾辛赫煤礦大型機(jī)電設(shè)備效率優(yōu)化及能耗分析

2.1 大型機(jī)電設(shè)備節(jié)能效率分析

通過分析山西霍爾辛赫煤礦能耗比例圖可知，煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中采掘系統(tǒng)所占能耗比例最大，耗能最多，占煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備總能耗的25.25%。緊接著是運(yùn)輸系統(tǒng)和提升系統(tǒng)，各占總能耗17%左右。煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中六大系統(tǒng)的大型機(jī)電設(shè)備工作方式為串聯(lián)式流水作業(yè)方式或者為并聯(lián)式同時(shí)作業(yè)方式。因此，可以針對(duì)大型機(jī)電設(shè)備能耗量進(jìn)行計(jì)算，設(shè)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中有n臺(tái)大型機(jī)電設(shè)備，綜合考慮機(jī)電設(shè)備工作效率、工作時(shí)間等因素，可以推算出大型機(jī)電設(shè)備耗能的計(jì)算公式：

經(jīng)過進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)總載荷：

式中：c為煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)總荷載；Pi為綜合能耗；βi為第i臺(tái)負(fù)荷；k為能耗系數(shù)；hi為設(shè)備提升高度；ηi為第i臺(tái)設(shè)備工作效率系數(shù)；φi為第i臺(tái)設(shè)備能耗因素。

根據(jù)以上公式可以得到，ni為煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)值為1，當(dāng)設(shè)備關(guān)停時(shí)值為0；根據(jù)以上分析，可以初步確定山西霍爾辛赫煤礦大型機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率的理想曲線，如圖2所示。利用實(shí)際效率與理想效率誤差平方最小的原理出發(fā)，能夠完美地體現(xiàn)出煤礦生產(chǎn)過程中各子系統(tǒng)大型機(jī)電設(shè)備的工作效率特征。根據(jù)煤礦的年總產(chǎn)量，可以理想地確定出煤礦所需要的總機(jī)械功率，再根據(jù)該煤礦各子系統(tǒng)能耗所占比例乘以總功率，進(jìn)一步計(jì)算得到各子系統(tǒng)每年所需要的功率。

圖2 煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率理想曲線

2.2 加強(qiáng)大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同運(yùn)行效率

煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)較為復(fù)雜，里面所涉及的大型機(jī)電設(shè)備較多，因此需要各系統(tǒng)之間緊密的配合，才能保證達(dá)到最佳效率。例如對(duì)于某工作面巷道掘進(jìn)，首先要保證通風(fēng)系統(tǒng)中通風(fēng)設(shè)備正常運(yùn)行，掘金系統(tǒng)中需要綜掘機(jī)正常工作，巷道支護(hù)中錨桿支護(hù)需要壓風(fēng)機(jī)正常作業(yè)進(jìn)行，運(yùn)出的煤炭及矸石需要運(yùn)輸系統(tǒng)的緊密配合運(yùn)至井上[7]。因此，這就需要一個(gè)綜合的統(tǒng)籌調(diào)度機(jī)制，監(jiān)測(cè)和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的作業(yè)配合，選擇合適的流程和對(duì)接的時(shí)間點(diǎn)。確保煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)所有大型機(jī)電設(shè)備之間緊密配合，效率達(dá)到最高，能耗最低，實(shí)現(xiàn)煤礦大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制。

3 煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用

3.1 大型機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)控制，首先，應(yīng)針對(duì)各子系統(tǒng)大型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行合理的可靠地監(jiān)測(cè)，在設(shè)備的關(guān)鍵部位及核心部位安裝傳感器，用于收集各機(jī)電設(shè)備的工作數(shù)據(jù)。井下所需傳感器要求較高，需要具有線性度、靈敏度高、分辨率高、不遲滯等特點(diǎn)。建立一個(gè)完整的傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 煤礦機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)

將以上傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)得到的大型機(jī)電設(shè)備工作時(shí)的數(shù)據(jù)上傳至OneNET工作平臺(tái)，對(duì)此進(jìn)行分析，并采用合適的調(diào)度算法對(duì)各子系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備工作行為進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)設(shè)備間的協(xié)同化，及時(shí)調(diào)整各設(shè)備的工作狀態(tài)，保證各系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備都能保證更高效率、低能耗的工作狀態(tài)[8]。

4 工程實(shí)例

山西霍爾辛赫煤礦采用了基于OneNET工作平臺(tái)，表2為該礦各子系統(tǒng)大型機(jī)電設(shè)備采用協(xié)同控制技術(shù)前后的能耗對(duì)比。充分證明了采用大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)之后，該礦各子系統(tǒng)能耗都有所降低，達(dá)到了節(jié)能的目的。

表2 山西霍爾辛赫煤礦采用協(xié)同控制技術(shù)前后對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)山西霍爾辛赫煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中的大型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行了分類，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行分類，并分析了各子系統(tǒng)的能耗占比，并對(duì)大型機(jī)電設(shè)備理想效率進(jìn)行分析，提出了要加強(qiáng)設(shè)備間協(xié)同運(yùn)行效率，采用傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和OneNET數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)建立完整的協(xié)同控制技術(shù)，并在山西霍爾辛赫煤礦得到了成功應(yīng)用。