基于智能控制技術的煤礦輸送提升機械優化設計

[摘 要]隨著工業化進程的不斷推進，煤礦作為重要的能源資源之一，在全球能源結構中不可或缺，同時煤礦生產所帶來的環境污染和安全隱患也備受關注。為了提高煤礦生產效率，保障生產安全，減少環境污染，智能控制技術在煤礦輸送提升機械領域得到了廣泛應用。文章旨在探討如何通過智能控制技術，對煤礦輸送提升機械進行優化設計，以提高其運行效率，降低能耗，增強安全性和可靠性。

[關鍵詞]智能控制技術；煤礦輸送；機械優化設計

[中圖分類號]TD528.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0101–03

Optimization Design of Coal Mine Conveying and Lifting Machinery Based on Intelligent Control Technology

LI Yanwei

[Abstract]With the continuous advancement of industrialization， coal mine， as one of the important energy resources， is indispensable in the global energy structure. At the same time， the environmental pollution and security risks brought by coal mine production are also concerned. In order to improve coal mine production efficiency， ensure production safety and reduce environmental pollution， intelligent control technology has been widely used in the field of coal mine conveying and lifting machinery. This paper aims to discuss how to optimize the design of coal mine conveying and lifting machinery through intelligent control technology， so as to improve its operation efficiency， reduce energy consumption， and enhance safety and reliability.

[Keywords]intelligent control technology； coal mine transportation； mechanical optimization design

1 煤礦輸送提升機械在礦山生產中的重要性

煤礦輸送提升機械可大幅提高礦山煤炭的生產效率。傳統的人工運輸方式耗時耗力，無法滿足礦山日益增長的產量需求，而煤礦輸送提升機械通過自動化和機械化的方式，能夠快速、高效地將煤炭從井下輸送至地面，大幅提高了礦山的生產能力，其能夠承擔大量的物料運輸任務，可在短時間內將煤炭從井下運至地面，使煤礦生產持續高效地進行。煤礦作業環境惡劣，井下存在著高溫、低溫、有毒氣體以及地質災害等風險因素，人工操作容易受到這些環境因素的威脅，導致礦工出現生產事故和職業病，煤礦輸送提升機械的使用，可將人工操作的風險降到最低，礦工不再需要進行繁重的人力搬運，降低了意外事故的發生概率。該機械通常配備各種安全裝置，如報警設備、過載保護裝置等，確保了礦工在操作過程中的安全。

2 目前煤礦輸送提升機械智能化程度及可提升空間

現階段，煤礦輸送提升機械設備的智能化程度如下。

（1）遠程監控和自動控制。較多煤礦企業已開始利用遠程監控系統實時監控輸送帶的運行狀態，如速度、負載以及可能的異常情況。一些較為先進的系統還能自動調整輸送速度和方向，以適應不同的工作條件和需求。

（2）預測性維護。通過安裝各種傳感器，如振動傳感器、溫度傳感器等，實時收集設備運行數據，利用數據分析和機器學習技術預測設備可能出現的故障，從而提前進行維護，減少意外停機時間。但這一技術的應用還不太廣泛。可提升空間主要集中在以下兩個方面：①數據整合和分析。當前，雖然單個設備的監控和數據收集已相對成熟，但跨設備、跨系統的數據整合和分析能力仍較弱。實現數據的深度整合和分析，可進一步提升整個生產系統的智能化水平。②自主學習能力。目前大多數系統還依賴于預設的規則進行操作，缺乏足夠的自主學習和自適應調整能力。引入更先進的人工智能算法，使系統能根據環境變化和歷史數據自我優化，是未來發展的一個重要方向。

3 基于智能控制技術的煤礦輸送提升機械優化設計要點

3.1 機械參數優化選取的方法與指標

基于智能控制技術優化煤礦輸送提升機械設備的性能，需確定可優化的參數指標，并通過虛擬案例進行分析。具體的指標如下。

（1）輸送帶速度：影響運輸效率和能耗。

（2）負載量：即輸送帶上的煤炭重量，影響輸送帶的穩定性和耗電量。

（3）電機功率消耗：直接關系到設備運行的能效。

（4）故障率：影響設備的穩定運行和維護成本。

針對上述4個指標的優化設計思路如下。

某煤礦輸送系統，需要將煤炭從采礦面輸送至地面的處理廠。系統的關鍵設備為一條長2 000 m的輸送帶，配備有電動驅動系統。目標為優化輸送系統的運行，最小化能源消耗的同時保證高效率和安全性。

（1）初始條件。①輸送帶初始速度：2 m/s；②平均負載量：500 kg/m；③電機功率消耗：200 kW；④年故障率：2次。

（2）優化目標。①提高運輸效率至少10%；②降低能耗至少15%；③減少故障率至1次/a。

（3）實施智能控制策略。①動態調整輸送帶速度：根據實時負載量和目標地點的距離，智能系統動態調整輸送帶的速度。假設通過數據分析，最優速度設置為2.2 m/s時，運輸效率提高12%。②負載均衡：通過智能傳感器監測輸送帶上的負載分布，調整負載量，確保運輸過程的穩定性和效率。設定最優負載量為550 kg/m時，整體系統穩定性最佳。③能效管理：利用能效管理軟件，對電機的功率消耗進行實時監測和優化。通過調整電機的工作模式，減少空載和過載運行時間，預計能耗降低18%。

以能耗為例，其計算公式為：能耗=功率×時間。

效率提升計算：如果原來每小時可運輸的煤炭量為：2 m/s×3 600 s/h×500 kg/m=3 600 000 kg/h，優化后的速度和負載量能夠使每小時運輸量提升至：2.2 m/ s×3 600 s/h×550 kg/m≈4 290 000 kg/h，即提升約12%。

能耗降低計算：如果原先每天運行10h，則能耗為2 000 kW·h，優化后能耗降低18%，則每天的能耗為：2 000 kW·h×（1-0.18）=1 640 kW·h。

由此可見，通過智能控制技術優化輸送提升機械設備的性能，不僅可提高效率，還可顯著降低能耗和故障率，從而達到提升煤礦輸送系統整體性能的目的。

3.2 智能控制策略的選擇和設計

在智能控制策略的選擇上，可考慮采用模糊控制技術。模糊控制技術通過建立模糊規則庫，根據系統的實時輸入和輸出數據進行模糊推理，快速、準確地調整控制參數，實現對系統的智能控制。對于煤礦輸送提升機械來說，利用模糊控制技術可對提升高度、輸送速度等關鍵參數進行調節，以滿足煤礦生產需求。PID控制是一種傳統的控制方法，其通過比例、積分、微分3個控制部分對系統進行控制，能夠快速響應系統的變化情況，保持系統穩定運行，在煤礦輸送提升機械的優化設計中，可將PID控制作為基礎控制策略，與模糊控制技術相結合，實現對系統的精準控制。設定PID控制參數為比例系數Kp=0.5，積分時間Ti=0.2，微分時間Td=0.1。

PID控制器的公式如下：輸出值=Kp×（誤差+1/Ti×積分誤差+Td×微分誤差）。

式中，誤差是設定值與實際值之間的差異，積分誤差是歷史誤差的累積，微分誤差是當前誤差與之前誤差的差異。

神經網絡控制技術通過神經元之間的連接和權重調節，模擬人腦的學習和記憶過程，能夠適應不確定因素和非線性系統，實現對復雜系統的智能控制。對于煤礦輸送提升機械來說，利用神經網絡控制技術對系統的工作狀態進行實時監測和調節，可提高系統的穩定性和適應性。例如，采用BP神經網絡進行系統的建模和預測，并根據實時數據進行系統狀態的調整。遺傳算法是一種模擬生物進化過程的優化算法，通過遺傳、變異、選擇等操作尋找最優解，可用于優化控制系統的參數和策略。在煤礦輸送提升機械的優化設計中，可利用遺傳算法對系統的控制參數進行自動調整和優化，以提高系統的控制效率和穩定性。智能控制策略優缺點見表1。

3.3 系統仿真和試驗驗證

建立煤礦輸送提升機械的數學模型，應用仿真軟

件進行模擬分析，可快速評估各種設計方案的效果，并發現潛在的問題。在系統仿真過程中，可設置不同的工況、參數值，以驗證設計的穩定性、效率和安全性，例如，在建立數學模型時，考慮機械的動力學特性、傳動裝置、運輸系統等多個方面，根據實際條件設定參數，如傳動比、摩擦系數等。通過搭建實際的試驗平臺，進行真實環境下的測試和驗證，驗證仿真結果的可靠性和有效性，試驗驗證可幫助設計團隊了解設計方案在實際工作中的表現，發現仿真中未考慮到的因素，并對設計進行進一步優化，例如，在試驗中設置不同的工況，監測機械的運行數據，如速度、負載、功耗等，以驗證設計方案的合理性。

在系統仿真和試驗驗證過程中，可對各種智能控制策略進行評估和比較，例如，對比模糊控制、PID控制、神經網絡控制等不同策略在系統性能、節能減排、安全性等方面的差異，并選擇最優的控制策略實際應用。通過仿真和試驗的比對，可得出哪種控制策略更適合特定的煤礦輸送提升機械工況，進而指導設計優化和控制方案的調整。使用傳感器和數據采集設備，可實時監測機械的運行狀態、各種參數變化，獲取大量的數據進行分析，這些實時數據有助于評估設計方案的實際效果，發現潛在問題和優化方向，例如，在試驗過程中，通過傳感器實時監測機械的振動、溫度、電流數據，并進行實時記錄和分析，以驗證設計方案的可行性。

在系統仿真和試驗驗證的過程中，需要綜合考慮結果的準確性、可靠性和實用性，針對仿真和試驗中發現的問題和改進方向，及時進行優化和調整，確保設計方案的最終實施效果符合預期，通過系統仿真和試驗驗證的全面分析和評估，以提高煤礦輸送提升機械的設計效率、安全性和節能減排水平，實現智能化控制技術的最優應用。

3.4 載荷監測與動態控制

載荷監測指對機械所受載荷情況進行實時監測和分析，以確保機械運行在合理的負荷范圍內，避免超載或欠載情況的發生。在煤礦輸送提升機械優化設計中，可通過傳感器等裝置對機械的負荷進行監測，實時采集和記錄各項載荷數據，如提升力、扭矩、壓力等，通過智能控制技術對這些數據進行分析和處理，實現對機械負荷狀態的實時監測和判斷，例如，設定負荷監測閾值，在負荷超過設定閾值時自動觸發報警或調整控制策略。動態控制指根據實時載荷監測數據，動態調整機械的工作參數和運行策略，以實現對機械運行狀態的及時調節和優化。在煤礦輸送提升機械中，可通過智能控制技術實現對輸送速度、提升高度等關鍵參數的實時調節，以適應不同負荷情況下的運行需求，例如，在負載較重時提升力增加，并相應提高輸送速度，以確保煤礦物料的安全高效運輸。

采用智能控制技術對煤礦輸送提升機械進行載荷監測和動態控制，可實現智能化的運行管理，通過數據采集和處理，實時顯示機械負荷狀態和工作參數，提供運行狀態的實時監控和報警功能，使操作人員能夠及時了解機械運行狀況，避免潛在的安全風險，例如，設定報警規則，當負載超過額定值時，系統發出警報并自動降低輸送速度，以保證安全運行。

還可設定載荷監測的閾值參數，如額定提升力為1 000 N，工作壓力為10 MPa等，利用傳感器實時監測機械工作狀態，并在動態控制方面，設定控制算法參數，以在負載超過閾值時，自動調節提升力和輸送速度的關系，確保在不同負載情況下的穩定運行，例如，根據實時監測數據將相應負載參數調整為1 100 N，并相應調整輸送速度至1.5 m/min。

4 結束語

基于智能控制技術的煤礦輸送提升機械優化設計已取得了顯著成果，為煤礦行業的發展帶來了新的活力和前景，通過智能化的控制和優化設計，煤礦輸送提升機械的效率、安全性和穩定性得到了顯著提升，為煤礦生產提供了更加可靠的支持。未來，隨著科技的不斷進步和智能化技術的不斷應用，基于智能控制技術的煤礦機械優化設計將迎來更加美好的發展前景。

參考文獻

[1] 李汞.自動化技術在煤礦機械設備中的應用研究[J].中國機械，2023（33）：69-72.

[2] 張亞圣.自動化技術在煤礦機電設備中的應用探討[J].能源與節能，2023（11）：162-164.