基于节能控制的煤矿机电设备协同控制系统研究

平晓明

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西长治 046600）

0 引言

20世纪，由于我国煤炭资源开采技术较为落后，企业过于追求优质煤、高产量、高效益，我国的煤炭行业长期存在效率较低、浪费严重、消耗过多等现象[1]。因煤炭企业生产、运输等环节存在大量的大型机电设备，如采煤机、刮板输送机、通风机、运输汽车等，这些机械设备又长期处于运转状态，使得煤炭企业能耗大且污染严重。现阶段，国家大力提倡节能、高效发展[2]。因此，煤矿综合生产系统需要积极推进节能新技术的应用，着重提高煤矿大型机电设备效率，减小耗能，大力推进基于节能控制的煤矿机电设备协同控制系统研究。不但可以降低煤矿能耗，而且符合我国建设能源节约型政策。

本文针对山西霍尔辛赫煤矿综合生产系统中的大型机电设备以及各子系统进行分类，分析了各子系统的能耗占比，提出了加强设备间协同运行效率，建立了一套完整的协同控制技术[3]。

1 山西霍尔辛赫煤矿综合生产系统分析

1.1 煤矿大型机电设备分类

鉴于山西霍尔辛赫煤矿综合生产系统十分复杂，涉及到的大型机电设备也多种多样，为此，将煤矿大型机电设备进行分类，按可移动性质分为移动设备和固定设备两大类。

移动设备主要包括：煤矿井下采煤机、液压支架和刮板输送机、掘进机等。针对这些大型可移动式的设备进行监测较为困难。目前我国主要采用功率传感器与高速红外相机相结合的手段针对可移动式的机电设备进行监测[4]。

固定设备主要包括工作面通风机、空气压缩机、矿井提升机、水泵等，此类设备通常安放在固定的工作房内，不移动。这类固定式的大型机电设备监测较为简单。现阶段我国主要采用将传感器安装在设备核心部位或关键点，用于收集数据，对固定式的大型机电设备进行监测。

1.2 煤矿综合生产子系统分类

煤矿综合生产系统结构组成十分复杂，能耗各不相同。因此将煤矿综合生产系统分为6个子系统。分别为：采掘系统、运输系统、提升系统、压风系统、通风系统和排水系统[5]。其包含设备及功能如表1所示。

表1 各子系统特点

1.3 子系统能耗数据分析

根据在山西霍尔辛赫煤矿统计资料，该矿2017年煤炭资源总生产量为1301123 t，总消耗电能48042万kWh。根据收集得到的详细数据可知，山西霍尔辛赫煤矿各个大型机电设备所处子系统耗电比例如图1所示。

图1 山西霍尔辛赫煤矿六大子系统耗电比例图

通过对山西霍尔辛赫煤矿能耗图分析可知，子系统中采掘系统耗电量最高。影响煤矿大型机电设备能耗因素可分为：自然因素、设备因素、管理因素和技术因素四种。本文主要从管理因素和技术因素两方面针对基于节能控制的煤矿机电设备协同控制技术进行研究[6]。

2 山西霍尔辛赫煤矿大型机电设备效率优化及能耗分析

2.1 大型机电设备节能效率分析

通过分析山西霍尔辛赫煤矿能耗比例图可知，煤矿综合生产系统中采掘系统所占能耗比例最大，耗能最多，占煤矿综合生产系统机电设备总能耗的25.25%。紧接着是运输系统和提升系统，各占总能耗17%左右。煤矿综合生产系统中六大系统的大型机电设备工作方式为串联式流水作业方式或者为并联式同时作业方式。因此，可以针对大型机电设备能耗量进行计算，设整个生产系统中有n台大型机电设备，综合考虑机电设备工作效率、工作时间等因素，可以推算出大型机电设备耗能的计算公式：

经过进一步推导，可以得到煤矿综合生产系统总载荷：

式中：c为煤矿综合生产系统总荷载；Pi为综合能耗；βi为第i台负荷；k为能耗系数；hi为设备提升高度；ηi为第i台设备工作效率系数；φi为第i台设备能耗因素。

根据以上公式可以得到，ni为煤矿综合生产系统的开关状态。当设备启动时值为1，当设备关停时值为0；根据以上分析，可以初步确定山西霍尔辛赫煤矿大型机电设备运转效率的理想曲线，如图2所示。利用实际效率与理想效率误差平方最小的原理出发，能够完美地体现出煤矿生产过程中各子系统大型机电设备的工作效率特征。根据煤矿的年总产量，可以理想地确定出煤矿所需要的总机械功率，再根据该煤矿各子系统能耗所占比例乘以总功率，进一步计算得到各子系统每年所需要的功率。

图2 煤矿机电设备运转效率理想曲线

2.2 加强大型机电设备协同运行效率

煤矿综合生产系统较为复杂，里面所涉及的大型机电设备较多，因此需要各系统之间紧密的配合，才能保证达到最佳效率。例如对于某工作面巷道掘进，首先要保证通风系统中通风设备正常运行，掘金系统中需要综掘机正常工作，巷道支护中锚杆支护需要压风机正常作业进行，运出的煤炭及矸石需要运输系统的紧密配合运至井上[7]。因此，这就需要一个综合的统筹调度机制，监测和协调各子系统之间的作业配合，选择合适的流程和对接的时间点。确保煤矿综合生产系统所有大型机电设备之间紧密配合，效率达到最高，能耗最低，实现煤矿大型机电设备协同控制。

3 煤矿机电设备协同控制技术应用

3.1 大型机电设备状态监测

实现煤矿综合生产系统机电设备系统控制，首先，应针对各子系统大型机电设备进行合理的可靠地监测，在设备的关键部位及核心部位安装传感器，用于收集各机电设备的工作数据。井下所需传感器要求较高，需要具有线性度、灵敏度高、分辨率高、不迟滞等特点。建立一个完整的传感器监测系统。

3.2 煤矿机电设备协同控制技术

将以上传感器监测系统中监测得到的大型机电设备工作时的数据上传至OneNET工作平台，对此进行分析，并采用合适的调度算法对各子系统机电设备工作行为进行控制，实现各子系统设备间的协同化，及时调整各设备的工作状态，保证各系统的机电设备都能保证更高效率、低能耗的工作状态[8]。

4 工程实例

山西霍尔辛赫煤矿采用了基于OneNET工作平台，表2为该矿各子系统大型机电设备采用协同控制技术前后的能耗对比。充分证明了采用大型机电设备协同控制技术之后，该矿各子系统能耗都有所降低，达到了节能的目的。

表2 山西霍尔辛赫煤矿采用协同控制技术前后对比

5 结论

本文针对山西霍尔辛赫煤矿综合生产系统中的大型机电设备进行了分类，对各子系统进行分类，并分析了各子系统的能耗占比，并对大型机电设备理想效率进行分析，提出了要加强设备间协同运行效率，采用传感器检测系统和OneNET数据分析系统建立完整的协同控制技术，并在山西霍尔辛赫煤矿得到了成功应用。