基于工作負(fù)載變化的帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

衛(wèi)晉鵬

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 概 況

帶式輸送機(jī)是煤炭開采工藝環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備。礦井內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡劣，帶式輸送機(jī)的工作載荷變化較大，尤其是開采后剝落的煤炭物料重量在時(shí)刻發(fā)生變化。如果帶式輸送機(jī)始終按照相同輸送功率進(jìn)行開展運(yùn)輸作業(yè)，很容易造成輸送機(jī)的傳送帶磨損加劇甚至斷裂的情況發(fā)生，而當(dāng)輸出功率小于運(yùn)載力時(shí)，就會(huì)造成電能浪費(fèi)。因此，以胡底煤業(yè)DTL120 型帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出帶式輸送機(jī)智能控制運(yùn)輸系統(tǒng)，控制帶式輸送機(jī)根據(jù)荷載情況適時(shí)調(diào)整輸出功率。

2 智能調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析

減少電能的消耗以及提升電機(jī)功率輸出效率是智能調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況條件，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行功率主要分為4 種類型，分別為空載功率、水平運(yùn)行功率、提升功率和輔助功率等。帶式輸送機(jī)的能耗除與上述4 個(gè)功率因素有關(guān)外，還與帶式輸送機(jī)的長度、皮帶的傾角、提升高度等因素有關(guān)，其中影響能耗最大的兩個(gè)因素是煤流量和皮帶速度。

煤礦企業(yè)生產(chǎn)用電需求量較大，通常根據(jù)功率參數(shù)選型驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，出于安全冗余考慮，都會(huì)選取比帶式輸送機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)所需要的功率大1.5 倍的設(shè)備。但電機(jī)滿載輸出功率的情況較少，輕載和空載的運(yùn)行時(shí)間占到整個(gè)載荷過程的85%，造成電能浪費(fèi)。

3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

智能調(diào)速控制系統(tǒng)由變頻器傳輸、邏輯控制、傳感器采集三大模塊組成。變頻器實(shí)現(xiàn)皮帶和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠按照自適應(yīng)的方式調(diào)節(jié)自身速度；邏輯控制功能由工控機(jī)PLC 與上位機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，將傳感器收集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行分析決策，控制系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)作（如制動(dòng)、張緊、變頻等）；超聲波及速度傳感器傳感器負(fù)責(zé)底層的數(shù)據(jù)采集工作，傳感器收集信號(hào)信息以及模擬量數(shù)據(jù)，根據(jù)配電柜的電流數(shù)據(jù)判斷帶式輸送機(jī)的瞬時(shí)功耗。控制系統(tǒng)根據(jù)瞬時(shí)煤炭載荷量和皮帶速度對(duì)功率進(jìn)行合理調(diào)整。以模糊控制算法為核心，建立包含皮帶速度、載荷、能耗3 個(gè)關(guān)鍵量的模糊控制模型，得到載荷與皮帶速度的最優(yōu)關(guān)系，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能調(diào)速控制系統(tǒng)組成Fig.1 Intelligent speed control system composition

3.2 智能控制方案

由于不同時(shí)間段內(nèi)開采的煤流量不是均勻的，控制系統(tǒng)在檢測(cè)煤流量時(shí)，通常是前面通過后一段皮帶的煤流量，在數(shù)據(jù)采集方面存在滯后性。因此，煤流量的載荷與皮帶速度相對(duì)應(yīng)的是模糊概念，應(yīng)采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速控制。以PID 模糊控制算法為手段，將誤差e、誤差變化率∑e 作為輸入量，在控制器后段加入積分環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)模糊PID 控制。帶式輸送機(jī)的每個(gè)控制數(shù)據(jù)分為一個(gè)等級(jí)，并且每一個(gè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)輸入量，將輸出量與輸入量對(duì)應(yīng)明確的計(jì)算規(guī)則，具體智能控制流程如圖2 所示。

4 智能控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件選型

對(duì)帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)設(shè)備進(jìn)行選型，設(shè)備均應(yīng)符合防水、防潮、防爆要求，能夠適應(yīng)煤礦惡劣的工作環(huán)境。選取本質(zhì)安全性能優(yōu)異的GSH200 型傳感器作為速度檢測(cè)裝，變頻調(diào)速裝置選用防爆型設(shè)備，根據(jù)額定輸入電壓和輸入功率選取BPJ-500/1140V 型變頻器。選用PLC 工業(yè)控制器，型號(hào)為CPU—224XPCN。速度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過I/O 接口傳輸至PLC 控制系統(tǒng)，并對(duì)速度大小進(jìn)行修正，使輸送量與帶速始終處于最佳比例。此外，帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)還包括激光掃描儀、液力耦合器、電動(dòng)機(jī)、上位機(jī)等輔助性設(shè)備。

圖2 帶式輸送機(jī)PID模糊控制流程Fig.2 PID fuzzy control process of belt conveyor

4.2 自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

利用Simulink 建立PID 控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)，如圖3 所示。建立自適應(yīng)模糊PID 的仿真模型，如圖4 所示。對(duì)比分析兩種控制系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶速度調(diào)節(jié)方面的響應(yīng)速度。

從圖5 階躍響應(yīng)曲線可以看出，隨著時(shí)間的推移PID 控制的超調(diào)量1.304，自適應(yīng)模糊PID 控制超調(diào)量在1.081 左右，超調(diào)量更小，響應(yīng)速度更快；PID 控制在11.87 s 之后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，自適應(yīng)模糊PID 控制在6.848 s 之后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)性能更好。在16～18 s 加入干擾信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID 控制抗干擾能力較強(qiáng)。

結(jié)果表明，自適應(yīng)模糊PID 控制能更好的對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行智能調(diào)速，可以解決帶式輸送機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)非線性時(shí)變問題，改善了模糊控制穩(wěn)態(tài)精度，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示自適應(yīng)模糊PID 控制能夠滿足帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的響應(yīng)特點(diǎn)，符合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境情況。

圖3 PID控制系統(tǒng)Fig.3 PID control system

圖4 自適應(yīng)PID的仿真系統(tǒng)Fig.4 Simulation system of adaptive PID

圖5 階段響應(yīng)曲線Fig.5 Phase response curve

5 結(jié) 語

根據(jù)帶式輸送機(jī)在工程的實(shí)際應(yīng)用狀況，發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的輸出功率與實(shí)際所搭載的煤炭重量不相匹配，造成了能耗的損失，降低了運(yùn)輸?shù)男省８鶕?jù)胡底煤業(yè)DTL120 型帶式輸送機(jī)實(shí)際情況，建立了基于實(shí)時(shí)輸送量（負(fù)載） 的帶速調(diào)整系統(tǒng)。通過對(duì)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的分析，確定采用自適應(yīng)模糊PID 系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真模擬，表明該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)性能、更快的響應(yīng)速度。研究設(shè)計(jì)出的智能控制系統(tǒng)結(jié)合自適應(yīng)模糊PID 系統(tǒng)提升了帶式輸送機(jī)的能耗利用率。