煤礦大型機電設備協同控制的設計分析

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引言

隨著各種設備在煤礦開采中進行應用，我國的煤炭生產效率得到了較大的提升，但在開采過程中一直存在著高成本、高能耗等問題，從而使我國的煤炭行業的轉型受到較大制約。目前的研究主要是針對綜采工作面單個設備在運行過程中的節能方式進行一定的仿真分析，在此基礎上確定相關的節能策略，能夠對能耗大的情況有所改善。但如果將綜采作業面的全部設備視為一個整體，通過對這個系統的協同控制進行分析研究，則能夠更好地降低能耗。

1 協同控制總體方案設計

按照煤礦綜采作業面的具體情況，可以把煤礦大型機電設備的協同控制系統分成三種界面，每個界面負責的內容不同，具體為對設備運行過程中產生的相關數據進行收集、進行物聯網感知以及對相關設備進行協同控制。

1.1 硬件系統設計

協同控制系統的硬件包含多個模塊，而本文將主要對物聯網感知模塊、ADC模塊以及按鍵模塊的設計選型進行介紹分析。

（1）物聯網感知模塊設計

物聯網感知模塊通過使用壓力傳感器以及速度傳感器等多種傳感器，實現對運行中的大型機電設備的運行轉態以及相關環境進行實時的監測。為了保證監測的效果，需要將各種監測傳感器布置在對應設備的敏感處或者離關鍵位置最近處，并且所有傳感器都需要能夠獨立供電，確保相互之間不會受影響。

（2）ADC 模塊設計

為了確保系統所收集的模擬信號可以較為精準的轉變成數字信號，選擇型號為STM32F103RCT的ADC轉換模塊，同時配置三個ADC通道，從而能夠收集相關設備的數據以及環境信息的模擬信號[1]。

（3）按鍵模塊設計

為了保證系統正常運行，設置確認、返回以及復位按鍵，其中確認與返回設置為只有在高電平的情況下才是有效的，而復位則只有在低電平的情況下才有效。并且將按鍵模塊的接口連接對應的ADC轉換模塊的接口。

1.2 系統軟件設計

在系統的軟件設計上，本文將主程序拆分成子模塊程序后再進行設計，具體包括模塊的初始化以及功能測試。對系統的軟件進行設計需要遵照一定的設計理念，具體為：先利用系統的物聯網感知模塊，收集相關機電設備在工作時產生的數據以及工作環境的相關信息，利用ADC轉換模塊將獲得的模擬信號轉換成數字信號，并利用SD模塊進行存儲，從而在系統控制界面便能夠對相關的數字信號進行分析。

為了確保系統可以根據得到的信號對煤礦中的大型機電設備進行協同控制，本文使用的是以動態優先級為基礎的煤礦系統任務調度算法，這種算法能夠以較短的時間，完成綜采工作面內相關設備生產任務聯系的建立，從而實現效率最高，能耗最低的目標。因此，只需要按照數據對正常運行的設備能耗進行準確的計算，就能夠確定目前生產任務下效率最高、能耗最低的工作模式。首先根據相關公式得到當前工作狀態下設備的運行總負荷和效率，之后統計所有的運行設備的數量，最后在按照相關公式得到系統的最優效率以及最低能耗[2]。

為了保證煤礦中的大型機電設備都能夠處于最佳的節能狀態，需要盡可能地使各個設備的負荷處于最佳的水平。根據這種理念以及最佳平放逼近方法，計算最優效率的逼近函數，從而使設備的實際工作效率與預期的效率值盡可能接近，進而確定設備的具體能耗。根據設備實際的能耗情況以及最優能耗值，明確各個設備在工作中執行任務的先后順序，進而實現效率最好，能耗最低的目標。

2 協同控制效果仿真分析及應用

2.1 協同控制效果仿真分析

為了對設備執行任務的優先級調度算法的控制效果進行驗證，采用仿真分析的方法與傳統算法進行對比，評價指標包括生產任務未完成率、搶占系統資源次數、噸煤耗能。本文基于某煤礦完成仿真模型的搭建。

本文提出的協同控制算法能夠顯著的減少各任務間搶占的資源的次數，并且任務完成率更高。在煤礦連續作業二十四小時之后，整體消耗的電量趨于穩定，并且噸煤的能夠明顯下降。

2.2 協同控制策略的應用

選擇某個煤礦作為分析對象，按照其綜采工作面大型機電設備的實際使用情況，設計了與掘進類大型機電設備相匹配的設備運行模式庫，利用自學習模式，使其在工作時能夠保持高效率、低能耗的狀態。

通過采用系統控制系統，掘進類機電設備生產噸煤的能耗有較大程度的下降，接近13%。并且通過將在其他子系統中應用這種系統控制理念，子系統的能耗也有所下降，進而使得煤礦大型機電設備的整體能耗可以降低18%左右[3]。

3 結束語

本文以某煤礦為例，設計了大型機電設備的協同控制系統，并且經過仿真驗證得到了較好的結果，對煤礦大型機電設備進一步的進行協同控制設計分析有一定的幫助。