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)鹿臺山煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

引言

煤炭在未來很長一段時間內(nèi)依然會在我國能源結(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采效率。刮板輸送機(jī)是采煤機(jī)運行的軌道，同時也是液壓支架推溜拉架的支點，可見刮板輸送機(jī)對于煤炭開采的重要性[1]。在實際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)的運行負(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)的運行負(fù)載均按照最大負(fù)載計算，從而出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況。為實現(xiàn)刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)的協(xié)同運行，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)的軌道運行，刮板輸送機(jī)還與液壓支架鉸接實現(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)的重載運行，在二者的電氣控制系統(tǒng)中實現(xiàn)兩機(jī)電設(shè)備的啟停互鎖[3]。即，采煤機(jī)啟動前需確保刮板輸送機(jī)已運行；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，針對采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的協(xié)同運行僅僅停留在二者的聯(lián)鎖運行、順序啟?？刂埔约爸悄苎訒r停機(jī)控制上。上述協(xié)同控制項目無法滿足實際生產(chǎn)的需求，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)在運行過程中的負(fù)載變化大且常處于輕載運行狀態(tài)或者過載停機(jī)狀態(tài)。

為實現(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)，因此可通過控制采煤機(jī)的速度實現(xiàn)對產(chǎn)煤效率的調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)刮板輸送機(jī)工作能力與采煤機(jī)產(chǎn)煤效率的匹配運行?；趨f(xié)同調(diào)速控制系統(tǒng)對采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的運行速度以及刮板輸送機(jī)的電流值進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到刮板輸送機(jī)載荷突變時，基于協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)對刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的速度進(jìn)行實時調(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

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

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

基于刮板輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠基于相關(guān)傳感器對刮板輸送機(jī)的速度、電流等信號進(jìn)行監(jiān)測，并通過PLC 控制器實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)鏈速的控制，從而實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制和保護(hù)閉鎖功能。其中，所選PLC 控制器的型號為西門子s7-300，所選監(jiān)測刮板輸送機(jī)電流設(shè)備的為LMZ-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

基于順槽遠(yuǎn)程協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)實現(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 控制器實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)負(fù)載電流的預(yù)測、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[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

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)則對常規(guī)PID 控制器中的積分、微分以及比例參數(shù)進(jìn)行實時調(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

經(jīng)過反復(fù)試驗，得出適用于協(xié)同控制的模糊PID 控制器的三個參數(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。

為驗證上述參數(shù)模糊PID 控制器的控制性能，本文對比不同階躍信號下模糊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如下所示：

不同階躍信號下，常規(guī)PID 控制器和模糊PID控制器的控制效果對比如表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)的動態(tài)特性，降低控制過程中超調(diào)量，縮短控制所需的調(diào)節(jié)時間和上升時間，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，在實際生產(chǎn)過程中采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)是相輔相成的，應(yīng)確保刮板輸送機(jī)的運輸能力與采煤機(jī)的實時截割能力相匹配，避免刮板輸送機(jī)出現(xiàn)過載或輕載的運行狀態(tài)。

2）基于PLC 控制器通過順槽遠(yuǎn)程調(diào)速系統(tǒng)實現(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。