基于BP網絡的斜井巷道防跑車系統(tǒng)設計

王泰華， 陳致富， 王福忠

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000）

斜井巷道運輸礦車是煤礦運輸的主要交通工具，若礦車出現跑車，處理不及時可能造成極大損失。針對防止跑車事故的發(fā)生，出現了不少防止跑車的方法，如采用單片機做控制器、使用傳感器進行測速等［1］。這些方法靈活可靠、快速性好，但各有自身的弊端，容易造成一些誤動作。單片機的抗干擾能力弱，傳感器易受外界因素的影響，特別易受巷道中季節(jié)溫度變化及本身長時間工作導致的溫度變化影響。這些影響容易造成較多的擋車欄誤動作，會給煤礦的正常運輸帶來極大的不便。

本設計采用抗干擾性能強的西門子PLC作為控制器，使用霍爾傳感器感應礦車的運行速度。因霍爾傳感器是由半導體材料制成的，與一般半導體制成的傳感器元件一致，對溫度的變化非常敏感，所以本設計在霍爾傳感器后加一個BP網絡作為速度感應器，來消除溫度變化對傳感器的干擾［2－4］。模擬實驗表明，該系統(tǒng)提高了傳感器的抗干擾能力，把擋車欄的誤動作減到最小，更好地保證了礦車的可靠運行。

1 智能防跑車系統(tǒng)設計

本設計防跑車控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、BP網絡、光電耦合器、限位開關、提升機、紅外線感應器、PLC、柔性擋車欄、阻車器、減速器、聲光報警系統(tǒng)和提升擋車欄電機等組成。該系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

采用PLC作為主控制器的硬件組成如圖2所示，當礦車經過霍爾傳感器時，BP網絡濾掉來自周圍環(huán)境和自身長時間通電導致的溫度變化對霍爾傳感器測速準確性的干擾，經過光電耦合器隔離后傳送到PLC，進行轉換后與設定速度值進行比較。若測量值大于設定值，系統(tǒng)斷定為發(fā)生了跑車現象，柔性擋車欄不動作，阻止礦車的繼續(xù)加速運行，并發(fā)出聲光報警；若測量值小于設定值，系統(tǒng)判斷為正常，啟動提升機，提起擋車欄讓礦車順利通過，當礦車到達紅外線檢測區(qū)時，提升電機反轉把擋車欄放下。本設計具有反應速度快、抗干擾能力強、誤動作可能性小及可靠性高等優(yōu)點。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 BP網絡設計

BP網絡具有自適應和自組織能力，應用在工程優(yōu)化與訓練過程中能自動改變權值和閾值，以適應周圍環(huán)境的需要，并且靈敏度高、可靠性好。

本設計通過BP網絡去除自身和外界產生的溫度變化對霍爾傳感器的影響，以適應周圍的環(huán)境，使溫度對霍爾傳感器的影響減到最小，從而得到更準確的測速結果［5－7］。通過Matlab仿真訓練得出，BP網絡設計成3層神經網絡最為合適，即2個輸入節(jié)點、4個隱層節(jié)點和1個輸出節(jié)點，既將誤差減到極小、減少了訓練時間，又得到了合適的權值和閾值。訓練好的BP網絡與霍爾傳感器連接，構成智能霍爾傳感器，如圖3所示。

圖3 智能霍爾傳感器

該網絡隱層和輸出層的傳遞函數分別用雙曲正切S型函數和線性函數表示，公式分別為：

雙曲正切型S函數的字符串為tansig，線性函數的字符串為purelin，采用的訓練函數為L－M優(yōu)化算法訓練函數trainlm。

將霍爾傳感器電壓U和輔助溫度傳感器Ut作為網絡的輸入樣本，速度樣本值v作為網絡的輸出樣本值［8］，通過樣本值進行網絡訓練，記錄訓練誤差并驗證，若達到設定的誤差要求結束訓練，若沒有達到要求繼續(xù)訓練，直到達到要求為止［9－11］。在網絡進行訓練之前對采集到的輸入、輸出樣本值進行歸一化處理。

輸入歸一化處理公式為：

輸出樣本值歸一化處理公式為：

在實驗室模擬不同溫度和不同速度的實驗。當礦車通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器感應測得受溫度影響下輸出的模擬電壓U和輔助溫度傳感器電壓Ut，建立二元函數，測得的數據見表1所列。

在Matlab下進行BP網絡訓練，設置目標誤差為1×10－3，最大訓練次數設置為1 000，訓練顯示時隔為10，并設定當達到設定誤差時立即停止訓練，設置完所有的參數后進行BP網絡的訓練，得出誤差曲線如圖4所示。

在BP網絡進行訓練時，輸出樣本值為無干擾情況下，霍爾傳感器感應經轉換后的礦車速度值，訓練出的權值作為網絡實際權值。BP網絡去除溫度的干擾，再經過光電耦合器隔離過濾，得到準確可靠的模擬電壓值，使系統(tǒng)的誤動作大大減小，提高了防跑車系統(tǒng)的可靠性。

表1 不同溫度下傳感器輸入輸出標定值 mV

圖4 BP網絡性能誤差曲線

3 PLC程序設計

本控制系統(tǒng)采用的控制器是西門子200系列的224XP CN型PLC，有24個數字量I／O點、14個輸入、10個輸出、2個模擬量輸入、1個模擬量輸出和6個高數計數器輸出，允許最大擴展2個I／O模塊。在本設計中使用了7個數字量輸入和10個輸出，共17個I／O點，I／O分配表見表2所列。

按下礦車下行開關礦車運行，當礦車前輪通過霍爾傳感器時產生感應電壓，測得的感應電壓值轉換成速度值存儲到VD105中，把設定速度值存儲在VD104中。VD105與設定值比較，若VD105大于VD104中的值，認為發(fā)生了跑車事故，提升機不動作，擋車欄不升起，擋住礦車繼續(xù)加速運行，并發(fā)出聲光報警Q1.0，提醒工人和操作員發(fā)生了跑車現象。反之則提升機啟動，升起擋車欄Q0.6讓礦車順利通過，當礦車通過紅外線檢測I0.6時，提升機動作，把擋車欄放下，當碰到下限位開關I0.5時提升機停止。

礦車上行通過紅外線時，提升機提升，擋車欄碰到上限位開關時停止提升，當通過智能檢測系統(tǒng)時，擋車欄放下，擋車欄碰到下限位開關I0.5時提升機停止；當經過減速行程開關I0.3時，礦車開始減速；當碰到阻車器I0.2時礦車立即停止。

表2 防跑車裝置PLC控制系統(tǒng)I／O分配表

4 結束語

本文僅以3種不同溫度為例，引入BP網絡設計整個系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行模擬試驗，測試整個系統(tǒng)的性能。當模擬礦車前輪經過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產生感應，經BP網絡過濾掉溫度的干擾，再經過光電耦合器隔離，得到準確的礦車車速產生的模擬電壓量，并把測得的電壓模擬量送給PLC，進行轉換后與設定速度值比較，判斷是否發(fā)生跑車事故。

通過實驗得知，與以往的設計相比較，本文設計系統(tǒng)性能有很大的提高，驗證了加入BP網絡后可靠性得到了很大的提高。用普通的霍爾傳感器測量時，由于易受溫度的影響，使測量值不太準確。本文采用霍爾傳感器，并經過BP網絡去除溫度的干擾，使得準確性、可靠性和靈敏度均得到了大大的提高，使得測量誤差和擋車欄的誤動作大大減小，保證了礦車的可靠運行。

采用柔性擋車欄延長了擋車時間，減小了礦車與擋車欄之間的瞬間沖擊力，很好地保護了礦車，采用該設計能更好地保護礦工的生命，從而保障了煤礦的安全運行。

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