采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同調(diào)速控制策略的研究

劉小兵

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)鹿臺(tái)山煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

引言

煤炭在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)依然會(huì)在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此不斷提升煤炭綜采設(shè)備的機(jī)械化程度、自動(dòng)化水平及其可靠性尤為重要。采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架作為綜采工作面的三大機(jī)電設(shè)備，三種設(shè)備之間的協(xié)同效率直接決定工作面煤炭的開(kāi)采效率。刮板輸送機(jī)是采煤機(jī)運(yùn)行的軌道，同時(shí)也是液壓支架推溜拉架的支點(diǎn)，可見(jiàn)刮板輸送機(jī)對(duì)于煤炭開(kāi)采的重要性[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)的運(yùn)行負(fù)載是由采煤機(jī)的截割效率、位置等決定的。一般地，刮板輸送機(jī)的運(yùn)行負(fù)載均按照最大負(fù)載計(jì)算，從而出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況。為實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)的協(xié)同運(yùn)行，促使二者的輸送能力相匹配，急需解決二者之間的協(xié)同調(diào)速控制技術(shù)。本文著重研究采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同調(diào)速控制策略。

1 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的配套工作過(guò)程

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架作為綜采工作面的三大關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，其兩兩設(shè)備之間的配套不僅要求其尺寸、生產(chǎn)能力相匹配，而且要求在工作時(shí)能夠相互配合[2]。綜采工作面刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)以及液壓之間的配套關(guān)系如圖1 所示。

圖1 綜采設(shè)備的配套關(guān)系示意圖

如圖1 所示，采煤機(jī)沿著刮板輸送機(jī)的軌道運(yùn)行，刮板輸送機(jī)還與液壓支架鉸接實(shí)現(xiàn)液壓支架的推溜、移架操作。為避免采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的重載運(yùn)行，在二者的電氣控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)兩機(jī)電設(shè)備的啟?；ユi[3]。即，采煤機(jī)啟動(dòng)前需確保刮板輸送機(jī)已運(yùn)行；待確認(rèn)采煤機(jī)停機(jī)后才能將刮板輸送機(jī)停機(jī)。

2 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同調(diào)速控制方案

目前，針對(duì)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同運(yùn)行僅僅停留在二者的聯(lián)鎖運(yùn)行、順序啟停控制以及智能延時(shí)停機(jī)控制上。上述協(xié)同控制項(xiàng)目無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)載變化大且常處于輕載運(yùn)行狀態(tài)或者過(guò)載停機(jī)狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的負(fù)載與采煤機(jī)的工作效率相匹配，設(shè)計(jì)如圖2 所示的協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)。

圖2 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)

采煤機(jī)的截割量與其速度相關(guān)，因此可通過(guò)控制采煤機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)煤效率的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)工作能力與采煤機(jī)產(chǎn)煤效率的匹配運(yùn)行?；趨f(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度以及刮板輸送機(jī)的電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到刮板輸送機(jī)載荷突變時(shí)，基于協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)對(duì)刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑒于綜采工作面集粉塵、瓦斯、易燃易爆等威脅源的存在，要求協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)能夠在惡劣的工作環(huán)境下運(yùn)行[4]。為此，將協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)分割為采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及順槽遠(yuǎn)程協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)三部分。

3.1 采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于采煤機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠通過(guò)相關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)生產(chǎn)需求通過(guò)PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)其牽引速度的控制和閉鎖保護(hù)等功能。根據(jù)控制需求，本文僅對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。其中，所選PLC 控制器的型號(hào)為西門子s7-300；所選用于監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置編碼器的型號(hào)為BQH24；所選用于數(shù)據(jù)通信交換機(jī)的型號(hào)為KJJ12 本安型交換機(jī)。

3.2 刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠基于相關(guān)傳感器對(duì)刮板輸送機(jī)的速度、電流等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)鏈速的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制和保護(hù)閉鎖功能。其中，所選PLC 控制器的型號(hào)為西門子s7-300，所選監(jiān)測(cè)刮板輸送機(jī)電流設(shè)備的為L(zhǎng)MZ-1 型電流互感器等。

3.3 順槽遠(yuǎn)程協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于順槽遠(yuǎn)程協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同控制?；陧槻圻h(yuǎn)程協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)中的PLC 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)負(fù)載電流的預(yù)測(cè)、刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)協(xié)同速度的規(guī)劃及其調(diào)速策略的設(shè)計(jì)[5]。

4 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同調(diào)速控制策略的設(shè)計(jì)

PID 和模糊PID 控制算法為當(dāng)前用于工業(yè)中最為廣泛的控制算法。因此，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)擬采用模糊PID 的控制策略。

4.1 原理分析

模糊PID 控制算法是在常規(guī)PID 控制算法的基礎(chǔ)上融合模糊控制原理所得控制算法。即，基于模糊控制規(guī)則對(duì)常規(guī)PID 控制器中的積分、微分以及比例參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而得到模糊PID 控制器。模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)框圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)框圖

4.2 協(xié)同控制策略的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得出適用于協(xié)同控制的模糊PID 控制器的三個(gè)參數(shù)分別為：比例系數(shù)KP0=0.2；積分系數(shù)KI0=0.026；微分系數(shù)KD0=0.39。

為驗(yàn)證上述參數(shù)模糊PID 控制器的控制性能，本文對(duì)比不同階躍信號(hào)下模糊PID 控制器與常規(guī)PID 控制器控制效果。本文所選擇的階躍信號(hào)如下所示：

不同階躍信號(hào)下，常規(guī)PID 控制器和模糊PID控制器的控制效果對(duì)比如表1 所示。

表1 常規(guī)PID 控制器與模糊PID 控制器控制效果對(duì)比

如表1 所示，基于模糊PID 控制器能夠改善采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)協(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，降低控制過(guò)程中超調(diào)量，縮短控制所需的調(diào)節(jié)時(shí)間和上升時(shí)間，提升了協(xié)同控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性和抗干擾性能。

5 結(jié)論

1）作為綜采工作面的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)是相輔相成的，應(yīng)確保刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力與采煤機(jī)的實(shí)時(shí)截割能力相匹配，避免刮板輸送機(jī)出現(xiàn)過(guò)載或輕載的運(yùn)行狀態(tài)。

2）基于PLC 控制器通過(guò)順槽遠(yuǎn)程調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同調(diào)速控制，并為系統(tǒng)設(shè)置了模糊PID 控制器并確定比例系數(shù)KP0=0.2，積分系數(shù)KI0=0.026，微分系數(shù)KD0=0.39。