基于工作负载变化的带式输送机智能控制系统设计研究

卫晋鹏

（晋能控股晋城煤炭事业部宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048000）

1 概 况

带式输送机是煤炭开采工艺环节中的关键运输设备。矿井内作业环境恶劣，带式输送机的工作载荷变化较大，尤其是开采后剥落的煤炭物料重量在时刻发生变化。如果带式输送机始终按照相同输送功率进行开展运输作业，很容易造成输送机的传送带磨损加剧甚至断裂的情况发生，而当输出功率小于运载力时，就会造成电能浪费。因此，以胡底煤业DTL120 型带式输送机为研究对象，设计出带式输送机智能控制运输系统，控制带式输送机根据荷载情况适时调整输出功率。

2 智能调速系统节能分析

减少电能的消耗以及提升电机功率输出效率是智能调速控制系统设计的目标。结合相关行业标准和现场实际工况条件，带式输送机的运行功率主要分为4 种类型，分别为空载功率、水平运行功率、提升功率和辅助功率等。带式输送机的能耗除与上述4 个功率因素有关外，还与带式输送机的长度、皮带的倾角、提升高度等因素有关，其中影响能耗最大的两个因素是煤流量和皮带速度。

煤矿企业生产用电需求量较大，通常根据功率参数选型驱动电机时，出于安全冗余考虑，都会选取比带式输送机满载运行时所需要的功率大1.5 倍的设备。但电机满载输出功率的情况较少，轻载和空载的运行时间占到整个载荷过程的85%，造成电能浪费。

3 智能控制系统设计

3.1 系统组成及工作原理

智能调速控制系统由变频器传输、逻辑控制、传感器采集三大模块组成。变频器实现皮带和驱动电动机能够按照自适应的方式调节自身速度；逻辑控制功能由工控机PLC 与上位机联合实现，将传感器收集的模拟量转化为数字信号，进行分析决策，控制系统的关键动作（如制动、张紧、变频等）；超声波及速度传感器传感器负责底层的数据采集工作，传感器收集信号信息以及模拟量数据，根据配电柜的电流数据判断带式输送机的瞬时功耗。控制系统根据瞬时煤炭载荷量和皮带速度对功率进行合理调整。以模糊控制算法为核心，建立包含皮带速度、载荷、能耗3 个关键量的模糊控制模型，得到载荷与皮带速度的最优关系，控制系统结构如图1 所示。

图1 智能调速控制系统组成Fig.1 Intelligent speed control system composition

3.2 智能控制方案

由于不同时间段内开采的煤流量不是均匀的，控制系统在检测煤流量时，通常是前面通过后一段皮带的煤流量，在数据采集方面存在滞后性。因此，煤流量的载荷与皮带速度相对应的是模糊概念，应采用模糊控制算法实现智能调速控制。以PID 模糊控制算法为手段，将误差e、误差变化率∑e 作为输入量，在控制器后段加入积分环节，实现模糊PID 控制。带式输送机的每个控制数据分为一个等级，并且每一个数据作为一个输入量，将输出量与输入量对应明确的计算规则，具体智能控制流程如图2 所示。

4 智能控制系统功能实现

4.1 系统硬件选型

对带式输送机智能控制系统的传感器数据设备进行选型，设备均应符合防水、防潮、防爆要求，能够适应煤矿恶劣的工作环境。选取本质安全性能优异的GSH200 型传感器作为速度检测装，变频调速装置选用防爆型设备，根据额定输入电压和输入功率选取BPJ-500/1140V 型变频器。选用PLC 工业控制器，型号为CPU—224XPCN。速度传感器将检测到的数据通过I/O 接口传输至PLC 控制系统，并对速度大小进行修正，使输送量与带速始终处于最佳比例。此外，带式输送机智能控制系统还包括激光扫描仪、液力耦合器、电动机、上位机等辅助性设备。

图2 带式输送机PID模糊控制流程Fig.2 PID fuzzy control process of belt conveyor

4.2 自适应PID 控制系统仿真结果分析

利用Simulink 建立PID 控制系统、模糊控制系统，如图3 所示。建立自适应模糊PID 的仿真模型，如图4 所示。对比分析两种控制系统对带式输送机皮带速度调节方面的响应速度。

从图5 阶跃响应曲线可以看出，随着时间的推移PID 控制的超调量1.304，自适应模糊PID 控制超调量在1.081 左右，超调量更小，响应速度更快；PID 控制在11.87 s 之后达到稳态，自适应模糊PID 控制在6.848 s 之后达到稳态，稳态性能更好。在16～18 s 加入干扰信号，可以发现自适应模糊PID 控制抗干扰能力较强。

结果表明，自适应模糊PID 控制能更好的对输送机进行智能调速，可以解决带式输送机复杂系统非线性时变问题，改善了模糊控制稳态精度，提高了控制系统的动静态性能。试验结果显示自适应模糊PID 控制能够满足带式输送机智能控制系统在实际工程应用中的响应特点，符合实际应用环境情况。

图3 PID控制系统Fig.3 PID control system

图4 自适应PID的仿真系统Fig.4 Simulation system of adaptive PID

图5 阶段响应曲线Fig.5 Phase response curve

5 结 语

根据带式输送机在工程的实际应用状况，发现带式输送机的输出功率与实际所搭载的煤炭重量不相匹配，造成了能耗的损失，降低了运输的效率。根据胡底煤业DTL120 型带式输送机实际情况，建立了基于实时输送量（负载） 的带速调整系统。通过对带式输送机控制系统的分析，确定采用自适应模糊PID 系统，并进行仿真模拟，表明该系统相比传统PID 控制系统具有更好的稳态性能、更快的响应速度。研究设计出的智能控制系统结合自适应模糊PID 系统提升了带式输送机的能耗利用率。