煤矿胶带运输系统优化控制分析

吴 震

（重庆工商职业学院 智能制造与汽车学院，重庆 401520）

我国煤炭资源丰富，目前大型煤矿开采大多依靠煤矿胶带运输机把开采的煤炭运输到地面。随着煤炭开采技术的日益提高，煤炭开采量巨大，对胶带运输机的要求也越来越高。目前煤矿胶带运输机大多具有运输距离长、功率大、速度高的特点，所以煤矿胶带运输机使用能量较多。又由于目前很多煤矿胶带运输机的控制相对简单，无论负载情况，只是按照设定的一个恒定速度运行，存在大量的能源浪费情况，并且设备在有无负载的情况都处于运行状态，也增大了设备的损耗。目前，亟需对落后的胶带运输系统进行优化控制，达到节约能源、延长设备使用寿命、减少故障发生的目的。

本文将设计一套对煤矿胶带运输机的优化控制方案，首先对煤矿胶带运输机的负载、电流、电压等数据进行实时监测，并且把相应数据数据反馈到控制系统的输入端，通过智能算法对相应数据进行分析和处理，来调节胶带运输机的运输速度，实现负载大快速运行、负载小慢速运行、空载不运行的效果，并且本文将开发上位机监测软件，通过本地客户端和远程客户端能够监测到胶带运输机的运行情况。

1 煤矿胶带运输机基本结构与节能分析

1.1 煤矿胶带运输机结构

根据煤矿井下煤炭开采运输的实际需要，胶带运输机应具有驱动运输、制动、改向、装料、卸料、张紧、清扫等功能。基于这些基本功能需要，胶带运输系统的基本结构一般具有驱动电机、托辊、皮带、支架等部分起到支撑和运输煤炭的作用；具有转向装置用来改变胶带运输系统的运输方向；具有张紧装置起到驱动电机带动皮带运行，并防止皮带打滑和撕裂；具有装料和卸料装置，用来把开采的煤炭放置到皮带上且运输到目的地后能够通过卸料装置把煤炭从皮带上卸下。同时，为了保障皮带运输系统安全运行减少故障，并为安全监测和智能控制提供数据，一般会根据需要在胶带运输系统中安装传感器来监测其运行状况并进一步实施智能控制。单级胶带运输机的整体结构如图1所示。

图1 单级胶带运输机的整体结构图

1.2 煤矿胶带运输系统节能分析

胶带运输机运行时的阻力主要包含由托辊、皮带、煤料产生的摩擦力，这个主要阻力和这几部分之间的摩擦系数、皮带的长度、皮带的重量、煤料在皮带上的分布情况和重量、胶带运输机运行时的倾斜角度都有关系，主要阻力通过力学公式计算可得。除了主要阻力外，由于煤料放置到皮带上时会产生惯性和摩擦阻力、驱动电机轴承偶然的阻力、皮带的缠绕阻力等，胶带运输机运行时还会产生附加阻力。由于清扫皮带、卸料摩擦、托辊前倾、煤料与导槽之间摩擦等因素影响，胶带运输机运行时还会产生特种阻力。另外，胶带运输机向上提升或向下运输煤料时，胶带运输机还会产生倾斜阻力。这些阻力可以通过具体的公式和经验大致计算得到，进一步控制影响这些阻力因素，来达到节能的目的。

理想状况下，胶带运输机皮带上的煤料填充率为100%，其阻力为额定阻力，运行速度为额定速度，这时节能效果最佳。但是由于煤炭开采的不确定性，无法保证每时每刻皮带上煤料的填充率为100%。这时，就考虑对皮带上煤料的填充率进行监测，使得皮带上煤料填充率与胶带运输机运行速度正相关。当空载时胶带运输机以怠速运行，等待煤料添加到皮带上，达到空载时最大节能效果；当皮带上填充率未达到100%时，胶带运输机根据填充率的具体数据来降速运行，等待填充率逐步上升，胶带运输机运行速度也相应提升；当皮带填充率带到100%时，胶带运输机按照额定速度运行。

2 煤矿胶带运输机优化控制

2.1 胶带运输机优化控制思路

首先在煤矿胶带运输系统合适的位置上安装皮带秤、速度传感器、扭矩传感器、电压电流传感器等设备来实时监测胶带运输机的运行数据。然后通过智能算法进行数据分析，以此来判断胶带运输机的填充率和运行效率。以胶带运输机的填充率等数据为输入指标，通过比例积分微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制器来调节驱动电机的转速，达到胶带运输机运行速度智能控制的目的，保持胶带运输机运行效率 最大化，避免空载和轻载情况下，胶带运输机仍然按照额定速度运行。

2.2 胶带运输机优化控制设计

PID控制是由比例、积分、微分控制相结合对系统进行控制，既能够考虑到系统的响应速度，还能够兼顾系统超调和变化趋势等，有较好适应性和鲁棒性。另外PID控制结构比较简单，稳定性比较好，可靠性较高，控制精度较高。本文根据煤矿胶带运输系统工作实际情况和具体要求对其设计优化控制系统，通过实验和理论计算来调节PID参数，达到最优控制目的，其控制原理如图2所示。

图2 胶带运输机控制原理图

3 胶带运输系统监测设计

为了保障胶带运输系统安全运行，方便远程和实时监测煤矿胶带运输机的运行状况，本文开发基于浏览器/服务器（Browser/Server, B/S）+客户端/服务器（Client/Server, C/S）混合架构网络模 式监测软件，来实时监测胶带运输的重要运行数据。这种混合网络模式架构，在本地可以通过客户端采用有线的方式实时监测胶带运输机运行数据，保证数据的实时性，当我们离开监测中心时，我们可以通过浏览器远程监测胶带运输机运行数据。混合架构网络模式如图3所示。

图3 混合模式结构图

根据胶带运输系统监测数据的实际需要，本文开发监测软件应具有实时数据显示、实时趋势曲线、数据分析、数据报表、超限报警等功能。其中，数据分析功能是本文基于组态王开发的监测软件通过动态数据交换（Dynamic Data Exchange, DDE）技术调用Matlab软件智能算法，分析得出胶带运输机皮带填充率，进一步给定胶带运输机控制系统运行速度设定值，并通过PID控制器进行调节。监测平台软件架构设计如图4所示。

通过监测软件实时监测胶带运输机运行情况，需要首先登陆监测软件系统，登录界面需要正确的用户名和密码，否则将无法查看监测信息。

图4 监测软件架构

4 结语

本文针对煤矿胶带运输系统现存的能源浪费问题，研究了煤矿胶带运输结构，并对节能原理进行了分析，提出了根据煤矿胶带运输系统皮带的负载情况进行智能控制的思想，通过安装传感器对胶带运输机运行情况的数据进行采集，并进一步对数据进行分析，得出胶带运输机最佳运行速度，并作为输入传递给PID控制器，对胶带运输机进行闭环控制。此优化控制系统通过实验能够达到额定负载额定速度运行，轻载减速运行，空载怠速运行的目的，起到了节约能源的效果。

本文开发基于B/S+C/S混合架构网络模式监测软件，来实时监测胶带运输的重要运行数据。这种监测模式既保证监测数据实时性，也为远程监测数据提供了方便。监测软件监测数据全面，并具有数据分析功能，可以根据皮带填充率得到最佳运行速度。对该优化控制系统的推广和应用，有一定的工程实践价值。