煤矿井下主运输煤流线协同控制研究.pdf

第 4 3卷 第 1 1期 2 0 1 7年 1 1 月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o m a t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 11 NO V ． 2 O 1 7 0 ’ ’ i 科 研成 果 ． ．1 ． 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 1 0 0 2 7 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 1 ． 0 0 6 煤矿井下主运输煤流线协同控制研究 李继 来 1 ． 中煤科工集团常州研究 院有 限公 司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股份有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 针对煤矿井下主运输煤流线设备逆煤流启动存在能源浪 费、 设备磨损且无法根据实际运输情况 自 动调 节控 制 的 问题 ， 根 据 带式 输送 机和 煤仓 在 空 间上 的关 系， 建 立 了煤矿 井 下主 运 输 煤 流 线贮 运模 型 ， 提 出 了在 满足 约 束条件 下 实现 贮运模 型运 量 最 大 为 目标 的 煤 矿 井 下 主运 输 煤 流 线 协 同控 制 策略 。应 用 结果 表 明 ， 该 控 制策 略 能够 实现 节能 、 高 效的煤 矿 井 下主运 输煤 流线协 同控 制 。 关键词 主运输煤流线；带式输送机 ； 煤仓；协同控制；贮运模 型 中图分类号 T D6 3 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 1 0 2 7 0 8 3 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 1 0 2 7 ． 0 8 3 5 ． 0 0 6 ． h t ml Re s e a r c h o n c o o r d i n a t e c o nt r o l o f u n de r g r o u n d ma i n c o a l t r a n s po r t r o ut e L I J i l a i ， 。 1 ． CCTEG Ch a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5，Ch i n a Ab s t r a c t F o r p r o b l e ms o f e n e r g y wa s t e a n d e q u i p me n t we a r e x i s t e d i n i n v e r s e c o a l f l o w s t a r t o f u n d e r g r o u n d ma i n c o a l t r a n s p o r t r o u t e e q u i p me n t s ，wh i c h wa s f a i l u r e t o a d j u s t c o n t r o l a c c o r d i n g t o a c t u a l t r a ns po r t c o nd i t i o n，a s t or a ge a nd t r a ns po r t mod e l o f m a i n c o a l t r a ns p or t r o ut e i n und e r g r ou nd c o a l m i n e wa s bu i l t a c c o r di n g t o s p a t i a l r e l a t i on s h i p be t we e n be l t c on v e y or a n d c oa l b unke r ，a n d a c oo r d i na t e c o nt r o l s t r a t e g y o f t h e ma i n c o a I t r a n s p o r t r o u t e wa s p r o p o s e d ，wh i c h t o o k r e a l i z a t i o n o f t h e ma x i mu m v o l u me o f t h e s t o r a g e a n d t r a n s p o r t mo d e l u n d e r c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s a s t a r g e t 。Th e a p p l i c a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e s t r a t e g y c a n r e a l i z e e n e r g y s a v i n g a n d e f f i c i e n t c o o r d i n a t e c o n t r o l o f t h e ma i n c o a l t r a n s p o r t r o u t e ． Ke y wo r d s m a i n c oa l t r a ns po r t r o ut e；be l t c on ve yo r；c oa l bun ke r ； c o or di na t e c on t r ol ； s t o r a ge a nd t r a n s po r t m o de 1 0 引 言 煤 炭 自工作 面采 出后 ， 经 井下 带式 输送 机 、 煤仓 中转后 由主井提升系统运输至地面。为保障煤矿生 产的连续性 ， 必须在开采 、 运输 、 提升等各生产环节 实现控制的连续性 。煤矿井下要实现“ 机械化换 人、 自动化减人” ， 需根据各生产环节特点研究合适 的控制策略。在煤矿井下主运输系统 中， 运输煤量 具有 空 间与 时 间离 散 化 的特 点 ， 且 通 常 采 用远 程 操作方式实现对主运输煤流线上带式输送机 、 煤仓 收稿 日期 2 0 1 7 0 5 1 0 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 9 ～ 2 3 ； 责任 编辑 盛男 。 基金项 目 安监总局 2 0 1 6年破解安全生产难题科技攻关项 目 2 0 1 6 P J NT 0 2 。 作者简介 李继来 1 9 7 8 一 ， 男 ， 安徽淮南人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要从事煤 矿 自动化方 面的研发工作 ， E - ma i l l i j i l a i 2 0 0 5 1 6 3 ． c o rn。 引用格式 李继来． 煤矿井下主运输煤流线协同控制研究r J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 2 7 3 0 ． L I J i l a i ． R e s e a r c h o n c o o r d i n a t e c o n t r o l o f u n d e r g r o u n d ma i n c o a l t r a n s p o r t r o u t e [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 2 7 3 O ． 2 8 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3 卷 给煤机的一键逆煤流启动 ， 存在能源浪费、 设备磨损 的问题 ， 无 法根据 井 下 生 产 运 输 的 实 际情 况 自动 调 节 对带 式输 送机 、 煤仓 给煤 机 的控 制_ 4 剐。本 文 以煤 矿井下主运输煤流线上带式输送机和煤仓为研究对 象 ， 建立 了基于带式输送机和煤仓的煤矿井下 主运 输煤流线贮运模型 ， 并基于此提 出了一种煤矿井下 主运输煤流线协同控制策略 。 1 煤 矿 井下主 运输 煤流 线贮 运模 型 煤矿井下主运输煤流线中带式输送机和煤仓的 组合形式可归纳为带式输送机搭接带式输送机 、 带 式输送机搭接煤仓 、 煤仓搭接带式输送机 3种Ⅲ 6 ] 。 l - 1 带 式输送机 搭 接 带式输 送机 的 贮运模 型 假 设第 i i 1 ， 2 ， ⋯ ， N， N 为 带式 输送 机 数 量 条带 式输 送机 满载 时单 位时 间运 量为 q 一 Q k 1 式 中 Q 为 第 i条 带 式 输 送 机 满 载 时 单 位 长 度 运 量 ， k g ／ m； k 为 第 i 条 带式 输 送机 倾 斜 系 数 ； 7 2 为 第 i 条带 式输 送 机运行 速 度 ， m／ s 。 由 i 条 带式 输送 机搭 接 1条带 式 输送 机 时 单位 时 间运量 为 N N q 一∑q 一∑Q k 2 i 一 1 i 一 1 带式 输送 机满 载 时单 位长 度运 量 由带式 输送 机 的输 送 带 宽 度 及 输 送 带 单 位 面 积 煤 炭 质 量 决 定 。 ， 因此可 得 N N q 一∑q 一∑B 3 i 1 i 1 式 中 B 为第 i 条带式输送机 的输送带宽度 ， m； p为 输 送带 单位 面积 煤 炭质量 ， k g ／ m 。 1 ． 2 带式 输送 机搭 接煤 仓 的贮运 模 型 井下煤仓状态与输人及输出煤量相关 。带式输 送 机 向煤 仓运 煤时 ， 煤仓 的煤 量 为 r P P 。 l P 。 d t 4 J 0 式 中 P。为煤 仓 初 始 煤量 ， k g ； P ￡ 为 t 时刻 入仓 煤量 ， k g 。 1 ． 3煤 仓搭 接 带式输 送机 的 贮运模 型 煤仓 向带 式输 送 机放煤 时 ， 煤 仓 的煤 量为 t t P P 。 一 I P 。 ￡ d t 5 J O 式 中 P 叭 儿 f 为 t 时 刻 出仓 煤 量 ， k g 。 2 煤 矿 井下 主运 输煤 流线 协 同控制 策 略 各 运输 元 素 的组合 在各 自约 束条 件下 实现 贮运 模型运量最大为主运输煤流线协 同控制 目标。协同 控制 策略 即通 过求 解 约束条 件下 贮运 模 型运量 最 大 时各运输元素的运量来实现对各运输元素的控制 。 2 ． 1 带式输送机搭接带式输送机的协 同控制策略 1 带式 输 送机 串联 式搭 接 。带式 输送 机 串联 式搭 接指 多 条 带 式 输 送 机 按 首 尾 关 系 进 行 串 联 搭 接。假设第 i 条带式输送机运量为 P ， 第 i 条带式 输送机满载时运量为 P ／ m a x ， 则各带式输送机协 同控 制策略 在满足 P ≤mi n P ⋯ 的约束条件下 ， 实现所 有带 式输 送机 总运 量最 大 。 2 带 式输 送机 汇集 式 搭接 。带式 输 送 机 汇集 式搭接指多条带式输送机 向 1条带式输送机上运输 物料 。假设有 N条带式输送机 向第 m 条带式输送 机运输物料 ， 第 m条带式输送机运量为 P ， 第 m条 带式输送机满载时运量为 P一 ， 则各带式输送 机协 N 同控制策略 在满足 P P ≤ P 的约束条件 i 1 下 ， 实现 各带 式输 送 机运 量最 大 。 2 ． 2 带式 输送机 搭接 煤 仓 的协 同控 制 策略 带式输送机 向煤仓运煤 时， 根据煤矿安全 生产 要 求 ， 煤 仓 不 允 许 出 现 冒仓 现 象n u ] ， 因 此 煤 仓 物 料存贮容量为带式输送机运量的约束条件 。作为煤 仓 物料 来 源 的上游 带 式 输 送 机 ， 其 运 量 须 满 足 约 束 rt 条件 P 。 t P d t ≤P 。 ， P 为煤仓最大存贮 √ 0 容量 。针 对带 式输 送 机 搭 接 煤 仓 时 的 工 况 ， 协 同控 制策略为在满足约束条件情况下， 实现煤仓上游所 有搭接带式输送机总运量最大。 2 ． 3 煤仓 搭接 带式输 送机 的 协 同控 制 策略 煤仓 向带式输送机放煤时 ， 煤仓下游带式输送 机运 量是 煤仓 放煤 量 的约 束 条 件 ， 同 时 出于 安 全 生 产考 虑 ， 煤 仓 不 能 出现 空 仓 现 象 。 。假 设 煤 仓 下 游带式输送机满载时最大运量为 P ⋯ ， 则约束条件 rf 为 0 P 。 一I P d t ≤ P 。 针对煤仓搭接带式 √ 0 输送机时的工况 ， 协 同控制策略为在满足约束条件 情况下 ， 实现煤仓下游带式输送机运量最大。 3应 用实 例 为 验证 煤矿 井下 主运 输煤 流 线协 同控 制 策略 的 有效性 ， 在某矿建设 了煤矿井下主运输煤流线协同 控制系统。该系统主要 由协同控制器 、 带式输送 机 监测控制装置 、 载荷传感器 、 煤仓煤位传感器、 煤 仓给煤机控制器组成 ， 如图 1所示 。各组成部分均 可 认 为 是 节点 ， 节点 之 间 通过 消 息发 布与 订 阅 方 式 2 0 1 7年 第 1 1 期 李继 来等 煤矿 井 下主运 输煤 流 线协 同控制研 究 2 9 环 网 交换机 环网交换机 图 1 煤 矿井 下主运输煤流线协 同控制 系统组成 Fi g ． 1 C o mp o s i t i o n o f c o o r d i n a t e c o n t r o l s y s t e m o f u n d e r g r o u n d ma i n c o a l t r a n s p o r t r o u t e 传递数据。 带式输送机监测控制装置监测带式输送机的运 L 3 行状态并控制带式输送机的启停 ； 载荷传感器检测 带式输送机运量； 煤仓煤位传感器用于测量井下煤 仓煤位 ； 煤仓给煤机控制器实现给煤机 的放煤控制 ； 协同控制器不仅将采集的带式输送机运行状态 、 运 量和煤仓煤位等数据通过环网交换机向工业以太网 中发布 ， 还根据接收到的其他 区域数据决策本 区域 r 5 ] 的控制策略 ， 通过控制带式输送机运行 速度及煤仓 给煤机的放煤量实现主运输煤流线的协同控制 。 该矿建设 的主运输煤流线协同控制系统控制各 带式输送机及煤仓给煤机根据主运输煤流线物料运 输情况 自动启停 ， 现场 固定 岗位 值 守人员 减少 了 6 O ％以上 ， 带式输送机空载 时间降低 了 3 O ％以上 ， 一 实现 了主运输煤流线经济运行 。 4结语 [7] 根据煤矿井下主运输煤流线上带式输送机 、 煤 仓的组合关系 ， 建立了煤 矿井下 主运输煤流线贮运 模型 ， 提出了在满足约束条件下实现贮运模型运量 最大为 目标 的煤 矿井 下主运输煤 流线协 同控制 策 略 。该 控制 策 略在 某矿 进行 了应 用 ， 能够 实现 节能 、 高效的煤矿井下主运输煤流线协 同控制。 参考 文献 R e f e r e n c e s [1 ] [2 ] [8] [9] [ 1 O ] 马广川 1 ． 煤矿生产物流系统瓶颈的诊断与优化[ D] ． 青 岛 山东科技大学 ， 2 0 1 1 1 - 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0 3 0 1 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 9 2 0 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑 计划资助项 目 2 0 1 3 B AK0 6 B 0 8 ； 江苏省重点研发计划 产业前瞻与共性关键技术 资助项 目 B E 2 0 1 6 0 4 6 。 作者简介 申瑞杰 1 9 7 4 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 硕士 ， 研究 方向为计算机 应用及教学 ， E ma i l s h e n r u i j i e 1 6 3 ． c o rn。通信作 者 吴新忠 1 9 7 6 一 男 ， 江苏睢宁人 ， 副教授 ， 博士， 主要研 究方向为机电设 备的状 态监测 、 面向应用 的智 能控制 ， E - ma i l wx z c u mt 1 2 6 ． c o rn。 引用格式 申瑞杰 ， 吴新忠 ， 牛洪海 ， 等． 煤矿主要通 风机 远程无线监控 系统设计 [ J ] ． 1T矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 3 0 3 4 ． S HE N R u i j ie ， wU X i n z h o n g ， NI U Ho n g h a i ， e t a 1 ． De s i g n o f r e mo t e w i r e l e s s mo n i t o r i n g s y s t e m f o r c o a l mi n e ma i n v e n t i l a t o r [ J ] I n d u s t r y a nd M i ne Aa t o ma t i o n， 2 01 7 ， 4 3 1 1 3 0 3 4 ． [ 1 2 ] [ 1 3 3 [ 1 4 J 王 中华． 矿井 煤流 输送 系统优 化控 制关 键技 术研 究 V D ] ． 徐 州 中国矿业大学 ， 2 0 1 4 7 1 8 O ． 陈鹏 ． 基 于 P L C的煤仓煤 位监控 系统 的设计 [ D] ． 青 岛 山东科技大学 ， 2 O 1 4 卜1 O ． 许传鸿． 井底煤炭贮运 系统数 学建模及应 用分析 I- j ] ． 煤炭 工程 ， 2 o 1 4 ， 4 6 1 0 1 8 4 1 8 7 ． XU Chu a nh ong ． M a t h e ma t i c a l mod e l i ng a n d a ppl i c a t i o n a na l ys i s on c o a l s t or a ge a n d t r a ns p or t at i o n s y s t e m i n s h a f t b o t t o mj, J ] ． C o a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 4 ， 4 6 1 0 1 8 4 1 8 7 ． E 1 5 ] 贾传永 ． K J 1 6 1 型煤矿胶带运输 控制 系统及其 控制 流 程 的实现 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 8 8 1 8 3 ． J I A Ch u a n y o n g ． Mo d e l KJ 1 6 1 c o a l mi n e b e l t c o n v e y i n g c o n t r o l s y s t e m a n d i t s i mp l e me n t a t i o n o f c o n t r o l f l o w[ J ] ．I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 009， 3 5 8 8l 一 83．