選煤廠自動裝車系統(tǒng)的設計分析

衛(wèi)昆鵬

（晉能控股煤業(yè)集團沁秀公司坪上煤業(yè)， 山西 晉城 048200）

引言

近年來，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，綜采工作面的自動化程度以及采煤效率不斷提升，對于煤礦自動裝車系統(tǒng)的處理能力和使用性能提出了更高的要求?，F(xiàn)階段煤礦中常見的自動裝車系統(tǒng)存在自動化程度較低，導致操作者的工作強度較大、生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣、設備使用效率較低以及故障產(chǎn)生較為頻繁等現(xiàn)象。造成這些現(xiàn)象的主要原因是當前的自動裝車系統(tǒng)智能化程度較低、控制精度較低、故障診斷效果較差。本文針對選煤廠裝車系統(tǒng)自動化控制進行了優(yōu)化。

1 自動裝車控制系統(tǒng)的總體設計

設計要求提升自動裝車系統(tǒng)的自動化程度，確保煤炭的裝車精度，因此需要確?？刂葡到y(tǒng)能夠準確的對精煤煤倉倉口閘門和皮帶機進行控制、對于裝車的煤炭質(zhì)量進行準確測定、對于不同車廂的工作狀態(tài)進行判斷以及對于整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。針對上述自動裝車系統(tǒng)的控制需求，本文采用PLC控制器作為系統(tǒng)核心，通過以太網(wǎng)確保控制系統(tǒng)和實地設備間的實時通信，根據(jù)實際需求選取S7-300 型PLC 控制器。根據(jù)任務環(huán)節(jié)將控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、調(diào)度監(jiān)控層和信息管理層?，F(xiàn)場控制層主要通過PLC 控制模塊，控制自動裝車系統(tǒng)的工作狀態(tài)；調(diào)度監(jiān)控層主要通過監(jiān)測設備對系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)以及各模塊的實際情況進行監(jiān)測、信息管理層主要對工作過程中的信息進行傳遞，數(shù)據(jù)進行記錄，上述三層協(xié)調(diào)配合確保系統(tǒng)具有較高的整體性。

2 自動裝車系統(tǒng)工藝流程設計

根據(jù)上述要求進行系統(tǒng)搭建，自動裝車系統(tǒng)控制工藝流程如圖1 所示。

根據(jù)圖1 發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)將稱重儀表和控制柜相連接，確保車廂內(nèi)的煤炭達到既定重量后，控制柜收到相應信號，液壓站發(fā)出指令，控制煤倉的開閉和皮帶的啟停，裝滿煤炭的車廂通過電子軌道運輸至制定區(qū)域卸載，通過車號系別系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的記錄。

圖1 自動裝車系統(tǒng)控制工藝流程

3 自動裝車監(jiān)控系統(tǒng)的設計

3.1 自動裝車監(jiān)控系統(tǒng)PLC 組件的選型

為了提升自動裝車系統(tǒng)的自動化程度，確?？刂葡到y(tǒng)控制的精確性，系統(tǒng)工作過程中需要確保參數(shù)的實時獲取。綜上所述，系統(tǒng)所需的控制部件主要包括驅(qū)動電機、控制煤倉的液壓閘門、下煤簸箕、鐵牛以及車號識別系統(tǒng)等[1-2]。

自動車系統(tǒng)中設有監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)ο到y(tǒng)工作過程中的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，主要監(jiān)測參數(shù)包括皮帶機的位置、液壓閘門的開閉狀態(tài)以及車廂內(nèi)煤炭的質(zhì)量，通過反饋控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測所得參數(shù)對系統(tǒng)進行控制，控制參數(shù)包括煤倉閘門的開閉、皮帶機的運輸速度以及車廂運動的控制等。本文采用PLC 控制器作為系統(tǒng)核心，根據(jù)自動裝車系統(tǒng)的實際控制需求，選取S7-300 型號的PLC 控制器，PLC 控制模塊的配置如下頁表1 所示[3-4]。

表1 PLC 控制模塊的配置

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設計

自動裝車系統(tǒng)的主要工作流程如下：煤倉→液壓閘門→皮帶機→簸箕→車廂（實時稱重）→鐵牛牽引[5]。

系統(tǒng)自動控制原理如下：車廂進入指定位置，通過識別系統(tǒng)進行車記錄和識別，停止運動后液壓閘口打開，煤炭下落通過皮帶機輸送至車廂，車廂煤炭質(zhì)量進行實時監(jiān)測，達到指定要求后控制閘門關(guān)閉，車廂通過軌道運送至指定區(qū)域卸載。

為確保對車廂煤炭質(zhì)量的準確監(jiān)測，將車廂放置在動態(tài)電子導軌上，本文選用GUC-S 系列動態(tài)電子軌道。其稱重原理如圖2 所示。

圖2 GUC-S 系列動態(tài)電子軌道衡的稱重原理

水分是評判煤炭質(zhì)量高地的關(guān)鍵參數(shù)之一，煤炭水分過高會導致客戶使用成本增加，煤炭水分較低則會導致煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本增加。所以為了對煤炭中的水分進行控制，需要在皮帶機上集成水分監(jiān)測模塊，避免煤炭運輸過程中水分的過量流失，此外還可以增加一套噴淋系統(tǒng)，一旦監(jiān)測到煤炭水分過低，則啟動噴淋系統(tǒng)增加水分。噴淋系統(tǒng)由電磁閥進行啟停控制，電磁閥由PLC 控制器進行控制。

4 自動裝車系統(tǒng)控制策略的設計

當前常見的PID 控制器只能適用于一種參數(shù)下的控制，因此一旦外界條件發(fā)生變化或者系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)需要更改，當前的控制參數(shù)就無法滿足實際需求。此外當前的PID 控制算法魯棒性較差，運行過程中穩(wěn)定性較差。因此，本文選取模糊PID 控制算法提升自動裝車系統(tǒng)的控制能力和工作穩(wěn)定性。

采用模糊PID 算法能夠?qū)?shù)的變化量進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行參數(shù)的更改和控制，根據(jù)模糊PID 控制器隸屬函數(shù)以及模糊控制的相關(guān)原理，得出模糊PID 控制器的相關(guān)參數(shù)如下：積分環(huán)節(jié)0.02、微分環(huán)節(jié)0.01、比例環(huán)節(jié)0.1[6]。

為了檢驗該種控制方式的實際控制效果，選取系統(tǒng)中的皮帶機進行實地檢測，識別系統(tǒng)進行車廂信號和位置的識別，達到指定位置后皮帶機進行運轉(zhuǎn)，液壓閘門開啟確保煤炭落下。模糊PID 控制算法下自動裝車系統(tǒng)皮帶機啟動特性如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制算法下自動裝車系統(tǒng)皮帶機啟動特性

根據(jù)圖3 不難發(fā)現(xiàn)，車廂達到指定位置后，控制系統(tǒng)將指令傳遞給皮帶機控制皮帶機運輸，整個過程僅需0.2 s，并且皮帶機啟動過程較為穩(wěn)定，超調(diào)量較低。由此可見，模糊PID 控制算法實際工作過程中效果較好，能夠滿足控制需求。

5 結(jié)語

本文對選煤廠自動裝車系統(tǒng)進行優(yōu)化，主要內(nèi)容包括：

1）系統(tǒng)以PLC 控制器為核心，主要包含調(diào)度監(jiān)控層、現(xiàn)場控制層以及信息管理層。

2）依照選煤廠的選煤過程制定了合理的控制方案和控制流程，確?？刂骗h(huán)節(jié)的準確性和穩(wěn)定性。為了提升系統(tǒng)的自動化程度，增加了GUC-S 系列動態(tài)電子軌道，確保車廂內(nèi)部煤炭的質(zhì)量能夠得到實時監(jiān)測；增加了水分監(jiān)測系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)，確保煤炭的水分含量在相關(guān)指標內(nèi)。

3）使用模糊PID 控制算法，提升了系統(tǒng)的控制效率，通過對皮帶機啟停過程的檢測，發(fā)現(xiàn)該算法具有控制速度快以及控制過程較為穩(wěn)定等特點。