综采工作面刮板输送机智能变频调速控制分析

综采工作面刮板输送机智能变频调速控制分析

王齐泉

皖北煤电集团公司恒源煤矿，安徽淮北 235100  

摘要：随着人工智能和信息技术的高速发展，国内外煤炭开采技术逐步由传统的机械化、自动化逐步向智能化发展。 工作面智能化是保证煤矿安全及效率提升最有效的途径。目前工作面单机自动化开采已经趋于成熟，但综采工作面刮板输送机智能变频调速控制还处于探索阶段，无法实现真正意义上的智能化、常态化运行。基于此，本文就综采工作面刮板输送机智能变频调速控制进行简要分析。

关键词：综采工作面；刮板输送机；智能变频；

1 智能化控制系统架构

综采工作面智能化控制系统主要由工作面设备、井下集控中心和地面远程控制中心三大部分组成。智能控制系统包含了电液控子系统、运输三机通信子系统、智能刮板输送机控制子系统、采煤机控制通信子系统、采煤机精确定位子系统、工作面视频子系统、工作面人员识别子系统、泵站集中控制子系统、在线故障诊断子系统。系统利用工作面的综合接入器、光电转换器和交换机，搭建一个统一开放的工作面千兆工业以太网监控平台，将控制、视频、通信、液压、监测等技术有机融合，实现对采煤机、液压支架、运输三机、泵站等主要设备远程控制和全自动化运行，并且具有设备工况信息监测、故障诊断报警等功能。最终实现整个工作面“有人巡视、无人操作、远程干预、安全高效、绿色节能”的智慧运营，形成超长工作面生产组织示范技术体系。

2 智能调速方案设计

2.1 总体设计

综采工作面刮板输送机智能调速系统总体设计框图见图1所示，刮板输送机机头由电动机M1、M2共同驱动，由1号变频器对M1以及M2进行变频调速控制，为“一二”控制模式；机尾为电动机M3，由2号变频器进行变频调速控制，为“一一”控制模式。1号变频器与2号变频器以CanOpen总线通信模式与PLC控制器进行数据、指令交互，控制变频器的启动、停止、加速、减速，进而实现对机头、机尾电动机的变频调速。在PLC控制器内部基于模糊控制以及BP神经网络预测控制实现带速的智能调速，根据不同的负载，给定变频器不同的给定转矩，使得刮板输送机的带速随负载变化动态调整。1号变频器以及2号变频器均可运行于转速以及转矩模式，由PLC控制器完成控制。当变频器运行于转速模式时,PLC控制器需对目标转速、驱动母线电流、制动母线电流以及限制扭矩等参数进行设置和自适应调节；变频器将母线电流值、电动机当前转速、电动机实际转矩、电动机温度、电动机控制温度以及控制器母线电压等值反馈给PLC控制器并参与逻辑控制；当变频器运行于转矩模式时，PLC控制器需对目标转矩、最大转速限制等值进行设置和自适应调节。当变频器运行时有故障发生时，将故障信息反馈至PLC控制器并完成故障解析。由技术人员根据故障提示解决变频器故障。

为保证CanOpen通信的可靠性、减少丢包率，PLC控制器扩展两个CanOpen通信扩展模块，实现专口专用。上位机与PLC控制器间的通信模式为TCP/IP通信，PLC控制器扩展TCP/IP通信模块，通过TCP/IP通信将刮板输送机运行时的所有数据上传至上位机，用于监视和控制刮板输送机的运行。在PLC控制内编TCP/IP-socket通信程序，实时将刮板输送机运行数据以socket方式发送给上位机，同时接收上位机的控制指令。

图 1 综采工作面刮板输送机智能调速系统总体设计

2.2硬件设计

综采工作面刮板输送机智能调速系统的1号以及2号变频器都选用西门子矿用高精度量变频器MASTER-DRIVESVC，该变频器采用量控制技术，基于CAN/CanOpen总线通信模式实现与控制系统的数据交互，利用编码器、速度传感器实现信号实时反馈并形成高精度速度双闭环控制，进而实现对刮板输送机机头、机尾电动机的变频控制。控制器选用西门子CPU315-2DP以及SM321DI、SM322DO、SM3318×12bit、CP343等扩展模块共同构成PLC控制系统。根据刮板输送机智能调速控制系统控制方案。

2.3软件设计

综采工作面刮板输送机智能调速系统软件在PLC控制器内部实现，利用模糊控制以及BP神经网络控制实现带速与负载协同控制。PLC控制器内的控制回路1控制机头电动机M1以及M2，输入信号为机头电动机的运行速度ω*，反馈速度为ωr，经速度模拟PI调节器后控制电动机的给定转矩为T1*，该值经转矩调节器1以及转矩计算模块后输出至1号变频器，进而控制机头M1、M2电动机按照调节后的转矩值运转。PLC控制器内的控制回路2控制机尾电动机M3，输入额定转矩为T2*，经转矩调节器2后输出至2号变频器，进而完成对机尾电动机的控制。刮板输送机机头、机尾电动机运行时需考虑功率平衡问题，即利用T2*=T1*K，保证机头、机尾电动机输出功率基本平衡，使得刮板输送机稳定、连续运行。

3 应用效果分析

本文设计并实现的综采工作面刮板输送机智能调速系统在某煤矿综采工作面完成6个月的工业试验，为验证该调速系统的正确性和应用效果，第一个月采用传统恒速控制方案，刮板输送机日平均电能消耗量约为14700kW·h，平均带速为4.1m/s，因机头、机尾功率不平衡导致输送带抖动以及散落煤料的故障为12次；第二个月采用设计的智能调速方案，刮板输送机日平均电能消耗量约为10390kW·h，电能消耗降低了29.32%；平均带速为3.92m/s，降低了4.4%，未出现输送带抖动、散落煤料的现象，刮板输送机运行稳定。后续4个月采用智能调速方案，刮板输送机运行连续、稳定。

结论

本文以综采工作面刮板输送机为研究对象，基于变频控制、模糊神经网络控制技术设计并实现智能调速系统并得出以下结论：1）根据综采工作面刮板输送机运行状况，基于变频控制、模糊控制以及BP神经网络预测控制技术设计智能调速方案，使得带速与负载协同、动态自适应调整；2）实际应用情况表明，该智能调速方案能够保证刮板输送机高效、节能运行，提升综采工作面生产效率。

参考文献：

［1］许日杰,杨科,吴劲松,等.麻地梁煤矿智能化开采研究［J］.工矿自动化，2021,47(11):119－120.

［2］李伟.综放开采智能化控制系统研发与应用［J］.煤炭科学技术,2021,49(10):128-135.

［3］武福生,卜滕滕,王璐.煤矿安全智能化及其关键技术［J］.工矿自动化,2021,47(09):108-112.