工作面噴霧泵站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法的改進(jìn)

李繼東

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045300）

引言

粉塵污染作為綜采工作面、掘進(jìn)工作面的主要威脅源之一，嚴(yán)重威脅著工作面的安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的身心健康。經(jīng)調(diào)研可知，當(dāng)前應(yīng)用于工作面的降塵系統(tǒng)還不足以滿足工作面的生產(chǎn)需求，存在控制方式以手動(dòng)居多、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大以及降塵效率低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。歸根到底造成上述問(wèn)題的根本原因?yàn)閲婌F降塵系統(tǒng)及其配套系統(tǒng)的電控系統(tǒng)均是獨(dú)立的，要求作業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況開(kāi)啟系統(tǒng)[1]。噴霧系統(tǒng)開(kāi)啟延時(shí)導(dǎo)致工作面粉塵濃度升高，而提前開(kāi)啟會(huì)惡化工作面環(huán)境，使得煤質(zhì)下降，進(jìn)而影響煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。因此，以噴霧系統(tǒng)為例進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 寺家莊噴霧系統(tǒng)存在問(wèn)題

經(jīng)對(duì)當(dāng)前應(yīng)用于寺家莊礦綜采及掘進(jìn)工作面噴霧泵站系統(tǒng)的調(diào)研，其所存在的主要問(wèn)題為：

1）噴霧降塵泵站系統(tǒng)與噴霧降塵裝置之間的管路過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致降塵系統(tǒng)終端壓力不足，從而影響了降塵效果；

2）噴霧泵站電控系統(tǒng)的接線過(guò)于復(fù)雜，各種通信線纜及動(dòng)力電纜混合在一起，從而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬量受到一定的干擾，進(jìn)而影響了電控系統(tǒng)控制的精確度，最終影響了噴霧裝置開(kāi)啟的時(shí)機(jī)；

3）目前，噴霧降塵系統(tǒng)的控制主要依靠作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度的判斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)，無(wú)法精確掌握降塵系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)機(jī)；盡管已有部分工作面采用PID 控制策略，但是該控制手段仍存在一定的滯后性，無(wú)法達(dá)到快速響應(yīng)的目的[2]。

2 噴霧泵站系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件的選型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)控制，特設(shè)計(jì)如圖1 所示的噴霧泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 噴霧泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，噴霧泵站系統(tǒng)的核心為控制器，控制器作為連接人機(jī)界面和泵站變頻控制器的核心，其能夠?qū)崟r(shí)獲取并分析工作面水箱液位、粉塵濃度、壓力等傳感器所采集的信息，得出對(duì)應(yīng)的控制策略通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面噴霧泵、散熱分機(jī)的控制。此外，控制器可將所獲取的信息上傳于人機(jī)界面顯示[3]。

控制器作為噴霧泵站系統(tǒng)的核心，要求其具有足夠的運(yùn)算速度和控制精度。此外，現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器的選型也非常關(guān)鍵。本文在充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，得出如下頁(yè)表1 所示的泵站控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件。

2.2 電控系統(tǒng)接線的改進(jìn)

噴霧電控系統(tǒng)內(nèi)部線路復(fù)雜不僅增加了作業(yè)人員對(duì)線路檢修的工作強(qiáng)度，更重要的是由于線路絕緣老化出現(xiàn)線路短路現(xiàn)象，使得整個(gè)噴霧泵站系統(tǒng)無(wú)法工作。目前，泵站電控系統(tǒng)電氣控制柜屬于傳統(tǒng)接線方式[4]。為此，本文將通過(guò)采用模塊化、功能化的接線方式對(duì)傳統(tǒng)電氣柜接線方式進(jìn)行改進(jìn)。具體改進(jìn)方式如下：

將功能相似的模塊劃分為一組，基于就近選取的原則，根據(jù)電氣接線圖對(duì)其控制線路進(jìn)行排序。將相鄰序號(hào)的控制線連接于一個(gè)快速插頭上，并將快速插頭安裝于電氣控制柜的底部。對(duì)于需穿墻到電氣控制柜外部的控制線采用防爆連接頭連接，并依次對(duì)其進(jìn)行排序。

此外，為確保通信線纜在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中不受其他線纜的干擾，可在其兩端設(shè)計(jì)具有插頭的快速接頭或隔爆面。

表1 泵站控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型

3 PID 控制策略的改進(jìn)

當(dāng)前工作面對(duì)噴霧泵站系統(tǒng)的控制一方面依靠作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，另一方面基于傳統(tǒng)PID 控制器控制。上述兩種控制方式均不能夠滿足工作面的生產(chǎn)需求，其控制效果存在一定的滯后性[5]。為此，本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)PID 控制器中得出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面噴霧降塵的恒壓供水。

3.1 恒壓供水?dāng)?shù)學(xué)模型

經(jīng)研究可知，影響噴霧泵實(shí)際流量的關(guān)鍵因素為噴霧泵的結(jié)構(gòu)尺寸、活塞位移以及沖程。即，噴霧泵的排出壓力取決于管阻特性、噴霧泵強(qiáng)度及電機(jī)功率等。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中噴霧泵選型確定后，只能夠通過(guò)改變與噴霧泵配套電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)泵排出壓力的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了對(duì)工作面的恒壓供水。

在實(shí)際供水過(guò)程中，控制器通過(guò)采集噴霧泵的入口壓力和出口壓力數(shù)值，根據(jù)入口壓力和出口壓力的差值，從而得出相應(yīng)的控制策略改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該變頻恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式（1）所示：

式中：T1為時(shí)間常數(shù)；T3為變頻器與電機(jī)的等效時(shí)間常數(shù)；τ為系統(tǒng)供水過(guò)程的滯后系數(shù)；k為系統(tǒng)供水過(guò)程增益；s 為經(jīng)拉普拉斯變換后的表達(dá)式，代表頻域上的信息。

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制

神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

基于對(duì)噴霧泵站系統(tǒng)變頻器、電機(jī)以及壓力傳感器研究的基礎(chǔ)上，并經(jīng)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出適應(yīng)于該噴霧泵站控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如式（2）所示：

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)定管路壓力為10MPa，對(duì)比分析傳統(tǒng)PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的控制效果，二者控制結(jié)果如圖3 所示。

圖3 恒壓供水靜態(tài)特性對(duì)比

如圖3 所示，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法在調(diào)節(jié)過(guò)程中幾乎不存在超調(diào)量；而采用傳統(tǒng)PID 控制算法存在一定的超調(diào)量。且基于傳統(tǒng)PID 算法需65 s 系統(tǒng)才能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果；而采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法僅需28 s 即可達(dá)到控制效果。

4 結(jié)論

經(jīng)仿真可知，通過(guò)對(duì)寺家莊礦工作面的噴霧泵站系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)、對(duì)其電氣柜的接線進(jìn)行優(yōu)化，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于傳統(tǒng)PID 算法中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面噴霧泵站的恒壓供水控制，使噴霧泵站的控制性能能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。