门式斗轮机煤流量自动控制系统

摘要：通过对煤场长期堆煤形成的煤堆外形以及门式斗轮机的

取煤过程进行研究，根据自动控制原理中的记忆预测控制算法和模糊控制原理推出新型的煤流量自动控制方法和控制系统。该自动控制系统极大地减少了运行中上煤不稳的情况，减轻了工作人员的工作强度，延长了斗轮机等设备的使用寿命，提高上煤效率，降低了能耗。

关键词：煤流量 记忆预测 模糊控制 斗轮机

0 引言

门式斗轮机的取煤方式都采用司机手动操作斗轮小车，来固定平移速度进行取煤，主要依靠斗轮司机经验进行操作，由于斗轮司机工作经验的差别，在运行过程中经常出现上煤不稳定情况，其取煤方式存在以下问题：

①由于在煤场形成的煤堆都呈锥形，如图1，两侧取的煤量比中间取的煤量要小，斗轮小车走完一个行程，上煤流量将会时大时小，造成流量不均，如果中间取到的煤量不超过额定流量，则两侧的煤量就大大小于额定流量，整个行程中取煤效率不高；反之就容易引起超载。

②司机无法准确判断活动轨道梁传输皮带上的煤流量，一般都通过煤仓前端的电子皮带秤测出流量后给司机进行提醒，此时已延时几分钟时间，司机无法预知当前取煤流量；当发现明显超载时，只能操控斗轮小车的启停来调整取煤流量。

③斗轮小车的频繁启停也会影响其相关部件的使用寿命。

基于上述问题，本文设计一种可实现对门式斗轮机煤流量自动控制系统，采用记忆预测控制和模糊控制算法来自动控制出煤流量的稳定，减轻运行人员的工作强度，延长斗轮机等设备的使用寿命，提高上煤效率，降低能耗等。

1 门式斗轮机煤流量的自动控制方案

门式斗轮机取煤一般分四层，在某一煤层取煤时，斗轮小车走完一个行程取的煤形状俯视图如图2，每个行程能取到的煤是两个平行线所包含的部分（图2阴影部分），取煤流量即单位时间内的上煤重量为：

其中ρ为煤密度；h为一个行程中某一位置处取煤层高；v为斗轮小车的平移速度（可由变频器输出频率控制）；L为每次大车步进长度。

一个行程中L保持不变，由于煤堆成锥形，某一层取煤形状近似梯形，h随着斗轮小车取煤时位置的变化而发生变化，在两侧时，h较小，中部较大，因此取煤流量在两侧较小，中部较大，造成取煤流量不均，但如果控制每次大车的步进长度L保持不变，则相邻行程之间斗轮小车的每个相同取煤位置處的煤流量具有一定的相似性，同时斗轮电流反映斗轮的取煤负载，取煤流量若超载，斗轮电流也一定超过电机的额定电流。

煤堆呈锥形，斗轮在同一层取煤形状近似梯形，不同行程内如果大车前进步长L相同，则取煤的区域形状类似；由于斗轮小车的取煤点与装置离开一段距离，并且在不断变化，因此检测到的煤流量相对于取煤点之间存在一变化的延时时间t，由于活动轨道梁上的传输皮带速度恒定，设为V，若取煤点位置（可通过编码器获得）与装置间的距离设为P，则延时时间为t=P/V，即某一固定取煤点的检测流量延时时间是固定的。

①当斗轮小车以匀速v0完成第一取煤行程，记录斗轮小车在该行程内每个取煤点位置与装置之间的距离P、当前时刻t1，并记录流量检测装置检测到的每个时刻点的流量f（t），从而得到并记录第一行程内每个取煤点位置的煤流量：

②在第二取煤行程中，根据斗轮小车所处的取煤点位置，将前一行程中记录的在该位置处的煤流量f（P）作为当前的预测煤流量反馈到控制器输入端实现闭环模糊控制，如图3，模糊控制器利用预测煤流量，结合一定的模糊规则去控制斗轮机平移速度v，确保该取煤位置处上煤流量稳定在额定流量附近，并通过斗轮电流预测超载，提高上煤系统的效率和安全性。同时检测并记录该行程内斗轮小车在不同取煤点位置的煤流量和平移速度，以供下一取煤行程进行记忆预测。

斗轮电流的作用：实时判断斗轮小车在取煤过程中是否有煤堆塌方现象的发生。虽然斗轮电流在取煤过程中时时刻刻都在发生变化，但是其变化均在额定范围之内。如果突然发生煤堆塌方，斗轮电流会突然猛增，所以可以将斗轮电流作为判断是否塌方或超载的依据，结合模糊控制算法控制斗轮小车的平移速度，确保斗轮电机安全。

在之后的取煤行程中，依据斗轮小车的取煤点位置，根据该取煤点位置上一行程的煤流量与斗轮小车平移速度，使用记忆预测控制算法，实现斗轮小车的变速取煤。即在煤量小的位置控制斗轮小车平移速度快一点，在煤量大的位置控制斗轮小车平移速度慢一点，从而确保上煤效率与设备的安全运行。

2 门式斗轮机煤流量自动控制系统的实施

门式斗轮机斗轮小车行走控制电路改造前如图4所示，小车行走为双电机同时驱动，通过接触器K001、K002来控制斗轮小车左右行走。保护主要通过热继电器F05来实现。

控制电路改造后如图5所示，小车行走为双电机同时驱动。回路中增加变频器，通过变频器来控制斗轮机左右行走，保护主要由变频器不进行保护。根据变频器使用要求驱动双电机时，热继电器F05配合使用。变频器采用安川V1000，主要是通过PLC输出正转运行，反转运行指令，启动对应的中间继电器，再由中间继电器常开点来控制变频器，PLC直接发送4～20mA给变频器，变频器反馈调速信号形成闭环控制。

在斗轮机配电间PLC柜添置AB PLC模拟量电流输出模块1个，用于实现对变频器的变频调速。AB PLC数字量输出模块1个，用于实现变频器正反转控制。司机室安装带图像采集卡的平板PC、数据交换器以及安装在平板PC中的图像分析软件。取煤过程中可切换到手动取煤工作状态（不使用煤流量自动控制系统），互相切换时不影响设备正常运行。斗轮机处装有TXL-102型视频流量检测装置，主要是采集视频信号送往司机室图像采集卡。整个流程如图6所示。

3 煤流量自动控制系统的总结

门式斗轮机煤流量自动控制系统通过现场试验，可得出以下结论：

①提高了输煤系统运行的稳定性，为机组的安全运行打下基础。②提高了上煤效率，降低了能耗；有效防止超载，提高系统的安全性。③减少了司机的劳动强度和人为事故率。④减少斗轮小车的启停次数和运行时间，延长斗轮机等设备的使用寿命。

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作者简介：

曹峰（1982-），男，安徽合肥人，助理工程师，毕业于合肥工业大学电气工程及其自动化专业，现就职于安徽淮南平圩发电有限责任公司，从事输煤系统相关专业的工作。