白 浩，盧進(jìn)南

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

目前，選煤廠排矸過程采用汽車運(yùn)輸與手動(dòng)控制相結(jié)合的方式，排矸過程如下：操作人員通過對(duì)講機(jī)告知排矸車隊(duì)司機(jī)準(zhǔn)備在某一料口卸料，排矸車隊(duì)司機(jī)憑經(jīng)驗(yàn)駛?cè)腠肥瘋}下指定料口，操作人員通過現(xiàn)場(chǎng)攝像頭觀察運(yùn)矸車輛相對(duì)料口的位置，手動(dòng)開啟料口閘板，并通過對(duì)講機(jī)告知車輛司機(jī)前移、后退或停止。最終，操作人員通過攝像頭觀察裝車效果，并手動(dòng)關(guān)閉閘板。從手動(dòng)控制排矸過程可知：矸石倉料口尺寸和位置固定，運(yùn)矸車輛需多次移車才能裝滿車輛，導(dǎo)致運(yùn)矸車輛卸料點(diǎn)存在隨機(jī)性；如在最后一個(gè)卸料點(diǎn)運(yùn)矸車輛位置出現(xiàn)偏差或閘板關(guān)閉不及時(shí)，極易出現(xiàn)撒料現(xiàn)場(chǎng)；由于現(xiàn)場(chǎng)采用手動(dòng)控制方式，閘板的交替頻繁啟閉，車輛信息的實(shí)時(shí)記錄，增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

竇真蘭等[1]以許疃煤礦選煤廠排矸控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用S7-300 系列PLC 和組態(tài)軟件WinCC，設(shè)計(jì)了適應(yīng)選煤廠生產(chǎn)過程和生產(chǎn)環(huán)境需要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤廠主要設(shè)備起停聯(lián)鎖、流程監(jiān)控。張永玉[2]研究了煤礦全自動(dòng)連續(xù)出矸系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能，實(shí)現(xiàn)了出矸高度、礦車位置、裝置狀態(tài)等的自動(dòng)檢測(cè)，提高了整個(gè)出矸系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。韓亮[3]通過對(duì)原煤主運(yùn)輸系統(tǒng)的改造，構(gòu)建了巖巷半連續(xù)排矸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用提高了王家塔煤礦的排矸運(yùn)輸能力，大幅降低井下安全隱患。目前，對(duì)于露天矸石倉的自動(dòng)排矸技術(shù)研究較少，且大部分研究是基于井工礦。因此，在不影響現(xiàn)有排矸過程的基礎(chǔ)上，通過安裝FRID、紅外測(cè)距儀和超聲波測(cè)距儀，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)待裝車輛識(shí)別、車輛相對(duì)矸石倉料口位置定位和裝車物料相對(duì)高度檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)矸石倉汽運(yùn)排矸自動(dòng)裝車功能。

1 矸石汽運(yùn)自動(dòng)排矸組成及原理

矸石汽運(yùn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)主要由自動(dòng)裝車系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、裝車料位-閘板控制系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。通過基于紅外激光、超聲波測(cè)距傳感器代替集控室的操作人員的方法，實(shí)現(xiàn)車輛的定位以及裝車高度的檢測(cè)。利用車輛位置信息、裝車高度信息、卸料閘門控制策略構(gòu)建矸石汽運(yùn)自動(dòng)排矸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排矸過程自動(dòng)化、智能化[4-6]。矸石汽運(yùn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 矸石汽運(yùn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1）排矸車輛精確定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)基于紅外激光測(cè)距傳感器的排矸車輛精確定位系統(tǒng)，檢測(cè)排矸車輛相對(duì)料口位置，以避免裝車過程中出現(xiàn)欠載、撒料、裝車不均甚至砸車等現(xiàn)象。

2）矸石汽運(yùn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)。裝車系統(tǒng)基于超聲波測(cè)距傳感器的料位檢測(cè)系統(tǒng)，獲取車廂實(shí)時(shí)裝車高度，結(jié)合車輛精確定位和料位-閘板控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車。

3）料位-閘板控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過對(duì)自動(dòng)裝車的工況分析，根據(jù)不同車輛類型、停車位置、落料高度，實(shí)時(shí)調(diào)整閘板開度，確保高效、安全裝車。

2 自動(dòng)排矸方式

汽運(yùn)排矸決定了排矸過程只能采用多點(diǎn)裝車方法，即分堆間歇式裝車，設(shè)車廂長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為w，高為h，車廂中卸料堆數(shù)為n 堆。裝車效果的好壞由最大裝車高度確定，即1 次裝車的裝車量越多越好。如果裝車高度超過車廂內(nèi)的最大裝車高度，物料將從車廂兩端溢出，其關(guān)系可用公式表示為：

式中：hmax為車輛最大裝車高度，m；ε 為裝車高度偏差，m；α 為裝車過程中物料形成錐體的堆放角，（°）；L、w、h 為待裝車輛車廂的長(zhǎng)、寬、高，m。

分堆間歇式裝車過程中，第1 堆卸料從車廂前端開始，該過程中當(dāng)卸料口正下方料堆接近最大裝車高度時(shí)，車輛需要向前移動(dòng)一定距離后繼續(xù)裝車，往復(fù)幾次直至車廂裝滿。裝車過程中，卸料口閘板不關(guān)閉，且不能倒車，這意味著第1 裝車點(diǎn)的確定以及后續(xù)幾個(gè)停車點(diǎn)的位置非常重要[7]。由于理想狀態(tài)下料堆在車廂內(nèi)呈錐形堆積，且相對(duì)車廂中軸線對(duì)稱分布，因此第1 堆的體積為：

式中：u、v 為以車廂長(zhǎng)、寬為正方向的車輛位置，m；σ 為第1 堆載料的積分區(qū)域；h1為矸石落料高度，m；Q1為第1 卸料點(diǎn)的矸石體積，m3。

由文獻(xiàn)[8]可知，與第1 卸料點(diǎn)距車廂前端的距離a、h1、w 有關(guān)。由控制料位的超聲波激光測(cè)距傳感器確定，車廂寬度w 是車輛的固定尺寸不可更改。因此，第1 卸料點(diǎn)的位置主要由卸料口距車廂前端的距離d 確定。提出2 種第1 點(diǎn)的卸料工況，以2次工況的裝車效果作對(duì)比，確定一種更符合精準(zhǔn)裝車的要求的卸料工況。工況1 料堆位置如圖2，工況2 料堆位置如圖3。圖中l(wèi) 為料堆間隔。

圖2 工況1 料堆位置

圖3 工況2 料堆位置

3 EDEM 仿真

EDEM 作為一款可用于離散元分析的CAE 分析軟件，EDEM 的前處理可以簡(jiǎn)便快速的創(chuàng)建仿真實(shí)驗(yàn)中需要的固體顆粒，無論是利用自身設(shè)計(jì)模塊，還是通過第三方軟件繪制的CAD 顆粒模型，都可以將真實(shí)顆粒準(zhǔn)確的描繪出來。EDEM 中前處理建立所需仿真模型后，求解器開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，仿真過程主要是對(duì)顆粒相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、質(zhì)量/熱量交換以及各場(chǎng)力進(jìn)行計(jì)算，還可以通過與其它的CAE 模塊，如Workbench、Fluent 等耦合使用；EDEM 后處理階段可以對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并且利用大量的數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化分析，對(duì)每個(gè)單元顆粒進(jìn)行如質(zhì)量、速度以及接觸力等相關(guān)信息的管理和儲(chǔ)存。

為了研究不同裝車位置對(duì)裝車效果的影響，采用EDEM 對(duì)車輛的裝車效果進(jìn)行離散元仿真，EDEM 仿真參數(shù)設(shè)置如下：

1）卸料口與車輛尺寸。①卸料口：長(zhǎng)×寬=600 mm×600 mm，仿真參數(shù)為300 mm×300 mm；②1 號(hào)車：長(zhǎng)×寬×高=8 100 mm× 2 600 mm× 2 300 mm，仿真參數(shù)為1 500 mm×280 mm×320 mm；③2 號(hào)車：長(zhǎng)×寬×高=8 100 mm × 2 400 mm× 2 500 mm，仿真參數(shù)為1 500 mm×350 mm×320 mm；④3 號(hào)車：長(zhǎng)×寬×高=8 100 mm×2 600 mm×2 300 mm，仿真參數(shù)為1 500 mm×420 mm×320 mm。

2）固體材料。①泊松比：0.3；②固體密度：1 600 kg/m3；③剪切模量：10 MPa。

3）離散材料。①泊松比：0.3；②固體密度：7 800 kg/m3；③剪切模量：700 MPa。

4）粒子對(duì)粒子。①恢復(fù)系數(shù)：0.3；②靜摩擦系數(shù)：0.5；③滾動(dòng)摩擦系數(shù)：0.01。

5）粒子到幾何體。①恢復(fù)系數(shù)：0.2；②靜摩擦系數(shù)：0.5；③滾動(dòng)摩擦系數(shù)：0.01。

仿真得到的裝車效果如圖4～圖7。

圖4 1 號(hào)車工況1 裝車效果

圖5 1 號(hào)車工況2 裝車效果

圖6 3 號(hào)車工況1 裝車效果

由圖4～圖7 可知：①同尺寸大小的車廂在工況2 條件下裝車的效果比工況1 在車廂兩端的裝車縫隙更小，裝車更均勻；②由于物料的流動(dòng)性，車輛移動(dòng)向前移動(dòng)時(shí)，2 種工況下第1 點(diǎn)卸料高度均會(huì)降低，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)前后載重不均的情況；③由EDEM后臺(tái)數(shù)據(jù)處理得到，工況2 裝載量較多于工況1。

圖7 3 號(hào)車工況2 裝車效果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，確定裝車過程采用工況2，即根據(jù)不同類型車輛的寬度，確定第1 和最后卸料點(diǎn)相對(duì)卸料口的位置。

3 自動(dòng)排矸控制模型

卸料口閘板選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)的方式，為了簡(jiǎn)化建模運(yùn)算過程，忽略電機(jī)內(nèi)部漏磁、磁滯渦流和定子線圈自感的諧波分量等影響。步進(jìn)電機(jī)接收驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的1 個(gè)脈沖控制信號(hào)后，就會(huì)精確轉(zhuǎn)過1 個(gè)步距角，根據(jù)電機(jī)兩相電壓平衡方程、小振蕩理論和轉(zhuǎn)子力矩平衡方程[9]，在單相激勵(lì)情況下，可以得到步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)：

式中：ia為步進(jìn)電機(jī)的電流，A；Nr為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)；LG為步進(jìn)電機(jī)定子繞組電感，H；B 為黏滯摩擦系數(shù)，（N·s）/m2；J 為卸料口閘板轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；θ1、θ2為步進(jìn)電機(jī)理論、實(shí)際轉(zhuǎn)過的步距角，（°）；s 為拉普拉斯變換的復(fù)參數(shù)；G1(s)為步進(jìn)電機(jī)角度傳遞函數(shù)。

齒輪齒條機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閘板的開合移動(dòng)，本質(zhì)上可以將此運(yùn)動(dòng)過程看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)，則閘板的開度與步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)角關(guān)系的傳遞函數(shù)為：

式中：P 為閘板的行程增益；X 為閘板的位移量，m；G(s)為卸料口閘板開度和步進(jìn)電機(jī)角度之間的傳遞函數(shù)。

卸料口形狀為矩形，可認(rèn)為卸料流量與閘板開度成線性關(guān)系。當(dāng)閘板開度變化時(shí)，由于卸料慣性的影響，卸料流量與閘板位移是一階慣性環(huán)節(jié)，滿足如下模型：

式中：KQ為卸料閘板流量增益，1.09；τQ為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，0.4～0.9 s；Q 為卸料口的實(shí)時(shí)流量，kg/s；KQ、τQ的取值與卸料過程中料倉中物料高度有關(guān)，為簡(jiǎn)化模型將二者取為固定值。

料位高度的變化是卸料流量通過一定時(shí)間所形成的物料體積使得料堆形態(tài)在高度上的變化，為積分環(huán)節(jié)。一定的物料體積使得料位的變化量是由堆積過程中的料堆形態(tài)變化決定，則料位△Hm與卸料流量Q 的關(guān)系滿足如下模型：

式中：Hm(s)為車廂內(nèi)料位高度，m；Ti為積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，1.3～2.1 s。

綜上所述，理想情況下不考慮物料下落過程的變化以及物料的含水量、塊狀大小、粘度等物理特性，車廂內(nèi)料位高度與卸料流量一定情況下是積分累積關(guān)系，閘板開度與卸料流量成正比例關(guān)系，故料位與閘板開度的關(guān)系可以看成容積環(huán)節(jié)。聯(lián)合式（5）、式（6）可得理想情況下料位與料門開度大小關(guān)系[10-11]，再把式（4）代入，最終得到閘板開度和矸石落料高度之間的傳遞函數(shù)如式（7）。

由式（7）可知，卸料閘板的開度和矸石落料高度存在較高的穩(wěn)定性，并且，由于落料口和車廂頂部的距離限制，使得裝車過程中即使出現(xiàn)頂落料口現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)撒料情況。因此，采用常規(guī)的PID 控制方法即可實(shí)現(xiàn)裝車過程的自動(dòng)控制。

4 自動(dòng)排矸控制方法

由于矸石排矸采用分堆間歇裝車，且卸料口相對(duì)待裝車輛高度有限，使得自動(dòng)裝車過程卸料口閘板可持續(xù)開啟，而不會(huì)發(fā)生撒料現(xiàn)象。因此，提出以車廂內(nèi)物料高度為被控對(duì)象，以卸料口閘板為執(zhí)行單元的分段PID 控制系統(tǒng)。

分段PID 控制是指車輛駛?cè)雮}下第1 卸料點(diǎn)后，卸料閘板開啟并保持全開狀態(tài)，由于采用分堆間歇裝車，且卸料口和車輛高度之間存在限制，車輛在各卸料點(diǎn)切換過程中，不會(huì)出現(xiàn)撒料現(xiàn)象。因此，僅在最后1 個(gè)卸料點(diǎn)啟動(dòng)閘板開度-裝料高度之間的PID 精確控制[12-13]。自動(dòng)裝車控制流程如圖8。

圖8 自動(dòng)裝車控制流程圖

待裝車輛正常駛?cè)腠肥瘋}的倉下，通過FRID射頻閱讀器識(shí)別裝在車輛上的識(shí)別卡，由識(shí)別卡數(shù)據(jù)具有唯一性，既識(shí)別該車輛的長(zhǎng)、寬、高信息，既得到該車輛第1 卸料點(diǎn)、最終卸料點(diǎn)的位置和最大卸料高度信息。經(jīng)紅外激光測(cè)距獲得待裝車輛實(shí)時(shí)位置信息，待車輛到達(dá)第1 卸料點(diǎn)后，矸石倉閘板開啟，自動(dòng)裝車開始啟動(dòng)。當(dāng)車輛行駛至最終卸料點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)將啟動(dòng)PID 控制方法，結(jié)合最大卸料高度信息，實(shí)現(xiàn)最終卸料點(diǎn)的矸石高度-閘板開度閉環(huán)控制。最后，最終卸料點(diǎn)矸石料位達(dá)到設(shè)計(jì)高度值，閘板自動(dòng)關(guān)閉，1 次自動(dòng)裝車任務(wù)結(jié)束。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)一套矸石汽運(yùn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)。矸石汽運(yùn)自動(dòng)裝車系統(tǒng)主要包括紅外測(cè)距傳感器、超聲波測(cè)距傳感器、FRID 射頻系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)閘板、PLC 控制系統(tǒng)組成。紅外測(cè)距傳感器用于判斷車輛相對(duì)卸料口位置，超聲波測(cè)距傳感器用于獲得矸石高度，F(xiàn)RID結(jié)合車輛上安裝的標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)車輛入倉識(shí)別。

為提高自動(dòng)裝車效率，提出2 種自動(dòng)裝車工藝。利用離散元分析的方法，模擬2 種工藝的裝車效果，最終確定按照車輛寬度的1/2 作為第1 卸料點(diǎn)位置。結(jié)合自動(dòng)裝車的工藝和系統(tǒng)傳遞函數(shù)，確定了自動(dòng)裝車系統(tǒng)采用分段PID 控制方法，確保自動(dòng)裝車過程快速、高效進(jìn)行。