基于智能控制技術(shù)的煤礦輸送提升機械優(yōu)化設(shè)計

[摘 要]隨著工業(yè)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(jié)構(gòu)中不可或缺，同時煤礦生產(chǎn)所帶來的環(huán)境污染和安全隱患也備受關(guān)注。為了提高煤礦生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)安全，減少環(huán)境污染，智能控制技術(shù)在煤礦輸送提升機械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文章旨在探討如何通過智能控制技術(shù)，對煤礦輸送提升機械進行優(yōu)化設(shè)計，以提高其運行效率，降低能耗，增強安全性和可靠性。

[關(guān)鍵詞]智能控制技術(shù)；煤礦輸送；機械優(yōu)化設(shè)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(chǎn)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(chǎn)效率。傳統(tǒng)的人工運輸方式耗時耗力，無法滿足礦山日益增長的產(chǎn)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(chǎn)能力，其能夠承擔大量的物料運輸任務(wù)，可在短時間內(nèi)將煤炭從井下運至地面，使煤礦生產(chǎn)持續(xù)高效地進行。煤礦作業(yè)環(huán)境惡劣，井下存在著高溫、低溫、有毒氣體以及地質(zhì)災害等風險因素，人工操作容易受到這些環(huán)境因素的威脅，導致礦工出現(xiàn)生產(chǎn)事故和職業(yè)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(fā)生概率。該機械通常配備各種安全裝置，如報警設(shè)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(xiàn)階段，煤礦輸送提升機械設(shè)備的智能化程度如下。

（1）遠程監(jiān)控和自動控制。較多煤礦企業(yè)已開始利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控輸送帶的運行狀態(tài)，如速度、負載以及可能的異常情況。一些較為先進的系統(tǒng)還能自動調(diào)整輸送速度和方向，以適應(yīng)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(shè)備運行數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析和機器學習技術(shù)預測設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，從而提前進行維護，減少意外停機時間。但這一技術(shù)的應(yīng)用還不太廣泛。可提升空間主要集中在以下兩個方面：①數(shù)據(jù)整合和分析。當前，雖然單個設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集已相對成熟，但跨設(shè)備、跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合和分析能力仍較弱。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度整合和分析，可進一步提升整個生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化水平。②自主學習能力。目前大多數(shù)系統(tǒng)還依賴于預設(shè)的規(guī)則進行操作，缺乏足夠的自主學習和自適應(yīng)調(diào)整能力。引入更先進的人工智能算法，使系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境變化和歷史數(shù)據(jù)自我優(yōu)化，是未來發(fā)展的一個重要方向。

3 基于智能控制技術(shù)的煤礦輸送提升機械優(yōu)化設(shè)計要點

3.1 機械參數(shù)優(yōu)化選取的方法與指標

基于智能控制技術(shù)優(yōu)化煤礦輸送提升機械設(shè)備的性能，需確定可優(yōu)化的參數(shù)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(wěn)定性和耗電量。

（3）電機功率消耗：直接關(guān)系到設(shè)備運行的能效。

（4）故障率：影響設(shè)備的穩(wěn)定運行和維護成本。

針對上述4個指標的優(yōu)化設(shè)計思路如下。

某煤礦輸送系統(tǒng)，需要將煤炭從采礦面輸送至地面的處理廠。系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備為一條長2 000 m的輸送帶，配備有電動驅(qū)動系統(tǒng)。目標為優(yōu)化輸送系統(tǒng)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(yōu)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(tài)調(diào)整輸送帶速度：根據(jù)實時負載量和目標地點的距離，智能系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整輸送帶的速度。假設(shè)通過數(shù)據(jù)分析，最優(yōu)速度設(shè)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(jiān)測輸送帶上的負載分布，調(diào)整負載量，確保運輸過程的穩(wěn)定性和效率。設(shè)定最優(yōu)負載量為550 kg/m時，整體系統(tǒng)穩(wěn)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(jiān)測和優(yōu)化。通過調(diào)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?shù)拿禾苛繛椋? m/s×3 600 s/h×500 kg/m=3 600 000 kg/h，優(yōu)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(yōu)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(shù)優(yōu)化輸送提升機械設(shè)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(tǒng)整體性能的目的。

3.2 智能控制策略的選擇和設(shè)計

在智能控制策略的選擇上，可考慮采用模糊控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)通過建立模糊規(guī)則庫，根據(jù)系統(tǒng)的實時輸入和輸出數(shù)據(jù)進行模糊推理，快速、準確地調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)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(shù)可對提升高度、輸送速度等關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以滿足煤礦生產(chǎn)需求。PID控制是一種傳統(tǒng)的控制方法，其通過比例、積分、微分3個控制部分對系統(tǒng)進行控制，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)的變化情況，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在煤礦輸送提升機械的優(yōu)化設(shè)計中，可將PID控制作為基礎(chǔ)控制策略，與模糊控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精準控制。設(shè)定PID控制參數(shù)為比例系數(shù)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(shè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)通過神經(jīng)元之間的連接和權(quán)重調(diào)節(jié)，模擬人腦的學習和記憶過程，能夠適應(yīng)不確定因素和非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的智能控制。對于煤礦輸送提升機械來說，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。例如，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)的建模和預測，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)整。遺傳算法是一種模擬生物進化過程的優(yōu)化算法，通過遺傳、變異、選擇等操作尋找最優(yōu)解，可用于優(yōu)化控制系統(tǒng)的參數(shù)和策略。在煤礦輸送提升機械的優(yōu)化設(shè)計中，可利用遺傳算法對系統(tǒng)的控制參數(shù)進行自動調(diào)整和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的控制效率和穩(wěn)定性。智能控制策略優(yōu)缺點見表1。

3.3 系統(tǒng)仿真和試驗驗證

建立煤礦輸送提升機械的數(shù)學模型，應(yīng)用仿真軟

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

在系統(tǒng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等不同策略在系統(tǒng)性能、節(jié)能減排、安全性等方面的差異，并選擇最優(yōu)的控制策略實際應(yīng)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(shè)計優(yōu)化和控制方案的調(diào)整。使用傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可實時監(jiān)測機械的運行狀態(tài)、各種參數(shù)變化，獲取大量的數(shù)據(jù)進行分析，這些實時數(shù)據(jù)有助于評估設(shè)計方案的實際效果，發(fā)現(xiàn)潛在問題和優(yōu)化方向，例如，在試驗過程中，通過傳感器實時監(jiān)測機械的振動、溫度、電流數(shù)據(jù)，并進行實時記錄和分析，以驗證設(shè)計方案的可行性。

在系統(tǒng)仿真和試驗驗證的過程中，需要綜合考慮結(jié)果的準確性、可靠性和實用性，針對仿真和試驗中發(fā)現(xiàn)的問題和改進方向，及時進行優(yōu)化和調(diào)整，確保設(shè)計方案的最終實施效果符合預期，通過系統(tǒng)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(shè)計效率、安全性和節(jié)能減排水平，實現(xiàn)智能化控制技術(shù)的最優(yōu)應(yīng)用。

3.4 載荷監(jiān)測與動態(tài)控制

載荷監(jiān)測指對機械所受載荷情況進行實時監(jiān)測和分析，以確保機械運行在合理的負荷范圍內(nèi)，避免超載或欠載情況的發(fā)生。在煤礦輸送提升機械優(yōu)化設(shè)計中，可通過傳感器等裝置對機械的負荷進行監(jiān)測，實時采集和記錄各項載荷數(shù)據(jù)，如提升力、扭矩、壓力等，通過智能控制技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)對機械負荷狀態(tài)的實時監(jiān)測和判斷，例如，設(shè)定負荷監(jiān)測閾值，在負荷超過設(shè)定閾值時自動觸發(fā)報警或調(diào)整控制策略。動態(tài)控制指根據(jù)實時載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整機械的工作參數(shù)和運行策略，以實現(xiàn)對機械運行狀態(tài)的及時調(diào)節(jié)和優(yōu)化。在煤礦輸送提升機械中，可通過智能控制技術(shù)實現(xiàn)對輸送速度、提升高度等關(guān)鍵參數(shù)的實時調(diào)節(jié)，以適應(yīng)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(yīng)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(shù)對煤礦輸送提升機械進行載荷監(jiān)測和動態(tài)控制，可實現(xiàn)智能化的運行管理，通過數(shù)據(jù)采集和處理，實時顯示機械負荷狀態(tài)和工作參數(shù)，提供運行狀態(tài)的實時監(jiān)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(shè)定報警規(guī)則，當負載超過額定值時，系統(tǒng)發(fā)出警報并自動降低輸送速度，以保證安全運行。

還可設(shè)定載荷監(jiān)測的閾值參數(shù)，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(jiān)測機械工作狀態(tài)，并在動態(tài)控制方面，設(shè)定控制算法參數(shù)，以在負載超過閾值時，自動調(diào)節(jié)提升力和輸送速度的關(guān)系，確保在不同負載情況下的穩(wěn)定運行，例如，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)將相應(yīng)負載參數(shù)調(diào)整為1 100 N，并相應(yīng)調(diào)整輸送速度至1.5 m/min。

4 結(jié)束語

基于智能控制技術(shù)的煤礦輸送提升機械優(yōu)化設(shè)計已取得了顯著成果，為煤礦行業(yè)的發(fā)展帶來了新的活力和前景，通過智能化的控制和優(yōu)化設(shè)計，煤礦輸送提升機械的效率、安全性和穩(wěn)定性得到了顯著提升，為煤礦生產(chǎn)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(shù)的不斷應(yīng)用，基于智能控制技術(shù)的煤礦機械優(yōu)化設(shè)計將迎來更加美好的發(fā)展前景。

參考文獻

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