煤礦變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用研究

摘 要：PLC以模塊化的組合結(jié)構(gòu)為主，增加了系統(tǒng)靈便性，并且具有可靠性和抗干擾方面的優(yōu)勢(shì)。它已經(jīng)被普遍應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備數(shù)字控制、機(jī)器人、自動(dòng)裝置控制以及多級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。近年來(lái)，PLC技術(shù)在煤礦變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍。該技術(shù)比較簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，很大程度上提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文著重對(duì)PLC技術(shù)在煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期從根本上提高它的整體應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：煤礦；變頻調(diào)速控制系統(tǒng)；PLC技術(shù)應(yīng)用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.038

1 前言

昊華高家梁煤礦位于鄂爾多斯萬(wàn)利礦區(qū)南部，礦井井下使用綜掘機(jī)配合全液壓錨索錨桿鉆車(chē)進(jìn)行掘進(jìn)，綜掘機(jī)為煤炭科學(xué)研究總院山西煤機(jī)裝備有限公司生產(chǎn)的EBZ220TY型。因井下煤層局部地區(qū)較為復(fù)雜，使得掘進(jìn)機(jī)的截割頭處于復(fù)雜的工作狀態(tài)，且負(fù)載變化速率比較快。操作人員一般將掘進(jìn)機(jī)的負(fù)載載荷和載各電機(jī)電流變化作為重要的調(diào)速控制指標(biāo)，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)機(jī)的工作效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，無(wú)法達(dá)到良好的應(yīng)用效果。技術(shù)人員要將PLC作為控制核心，應(yīng)用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)PID參數(shù)的在線自整定，對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)非預(yù)見(jiàn)性擾動(dòng)和掘進(jìn)機(jī)負(fù)載變化的有效控制。

2 恒功率變頻調(diào)速系統(tǒng)

2.1 原理

掘進(jìn)機(jī)處于正常工作狀態(tài)，截割電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和煤巖層硬度以及自身牽引速度呈現(xiàn)正相關(guān)。技術(shù)人員要對(duì)掘進(jìn)機(jī)電動(dòng)機(jī)的牽引速度進(jìn)行控制，避免截割電機(jī)功率超出其額定功率。如果，掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)負(fù)載比較小，要提升電動(dòng)機(jī)牽引速度，為電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)高效、滿載的運(yùn)行環(huán)境。技術(shù)人員要結(jié)合具體訴求，對(duì)掘進(jìn)機(jī)電動(dòng)機(jī)牽引速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保掘進(jìn)機(jī)接近額定功率，且處于滿載運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

PLC技術(shù)背景下，掘進(jìn)機(jī)借助電流檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)電流的實(shí)時(shí)采集，借助PLC模擬量采集擴(kuò)展模塊，將采集到的模擬量電流信號(hào)傳遞給CPU，借助A/D轉(zhuǎn)換程序，對(duì)模擬量電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而對(duì)電流偏差和偏差變化率進(jìn)行計(jì)算。借助程序，在PLC中植入模糊控制規(guī)則，分別將電流偏差和偏差變化率與模糊規(guī)則表中的比較值進(jìn)行比較，再借助PID模式進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而將模擬量控制信號(hào)輸入到變頻器中，并以此為介質(zhì)，對(duì)牽引電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割[1]。

3 PID模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PID模糊控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制器輸入為額定電流與檢測(cè)電流偏差和偏差變化率，借助模糊控制器，分別對(duì)其進(jìn)行模糊，進(jìn)而通過(guò)模糊推理和解模糊實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)的在線修改。進(jìn)而確保系統(tǒng)為差異化的偏差和偏差變化率提供優(yōu)質(zhì)的控制參數(shù)，確?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能兼?zhèn)洹?/p>

3.2 PLC模糊控制系統(tǒng)

參數(shù)自整定PID模糊控制原理是使各個(gè)參數(shù)值結(jié)合偏差和偏差率變化，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。需要借助實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，制定完善的模糊控制規(guī)則，以確保不同偏差背景下，系統(tǒng)能夠快速進(jìn)行自我調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)PID調(diào)節(jié)參數(shù)的輸出。結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，隨著偏差和偏差變化率的轉(zhuǎn)變，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也要滿足相應(yīng)的規(guī)則：

（1）當(dāng)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，偏差相對(duì)較大。應(yīng)采取較小的參數(shù)值，避免偏差的瞬時(shí)變化引起微分溢出。如果需要提高響應(yīng)曲線斜率，增加其響應(yīng)速度，可以選擇較大的參數(shù)值。加之，積分作用過(guò)強(qiáng)，會(huì)影響系統(tǒng)超調(diào)，可以選取比較小的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)積分環(huán)節(jié)的有效控制。

（2）系統(tǒng)處于調(diào)整狀態(tài)，需要適當(dāng)縮小參數(shù)值，確保取值的適中性，并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，對(duì)其超調(diào)量進(jìn)行控制。同時(shí)，也要增加部分參數(shù)取值，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量進(jìn)行控制[2]。

（3）系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)論是其偏差，還是偏差變化率都比較小。要對(duì)系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差進(jìn)行消除，以有效避免系統(tǒng)設(shè)定值附近存在輸出響應(yīng)振蕩。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在參數(shù)值選擇過(guò)程中，遵循適中性原則。系統(tǒng)分別將偏差及偏差變化率作為輸入，將PID三個(gè)參數(shù)值作為輸出。操作人員要結(jié)合具體情況，對(duì)函數(shù)進(jìn)行合理選擇，以達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

針對(duì)模糊控制器的輸入變量偏差和偏差變化率，對(duì)其輸出變量和量化后的模糊子集進(jìn)行確定。結(jié)合參數(shù)自整定PID模糊控制要求，對(duì)參數(shù)的具體模糊規(guī)則情況進(jìn)行確定。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

借助組態(tài)方式，對(duì)采集的電流信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而確定現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)機(jī)工作的實(shí)時(shí)電流曲線。對(duì)掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)模型進(jìn)行構(gòu)建。模擬電流信號(hào)輸入為單位階躍響應(yīng)，A、B時(shí)間段，在系統(tǒng)中添加模擬截割煤，巖面硬化或者增加截割便利度。對(duì)系統(tǒng)是否能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)進(jìn)行分析。當(dāng)A處的截割頭截割煤巖面出現(xiàn)硬化，增加電流和電機(jī)負(fù)載。借助反饋電流和設(shè)定電流值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行比較，通過(guò)偏差，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而增加轉(zhuǎn)矩，確保截割頭在額定功率背景下進(jìn)行低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。如果煤比較容易切割，無(wú)論是電機(jī)負(fù)載，還是工作電流都比較小，借助對(duì)系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行有效控制，進(jìn)而提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，截割頭在額定功率背景下的截割狀態(tài)為高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩快速截割，以對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭恒功率進(jìn)行有效控制[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦開(kāi)采過(guò)程中存在的安全隱患比較多?，F(xiàn)代化進(jìn)程的加快和社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)煤礦開(kāi)采提出了越來(lái)越高的要求。煤礦變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，對(duì)PIC技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，能夠取得良好的應(yīng)用效果。PIC技術(shù)是一種新型技術(shù)，在煤礦開(kāi)采中具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)電能消耗比較大，開(kāi)采效率也相對(duì)較低。而PIC技術(shù)不僅提高了煤礦開(kāi)采效率，而且確保了其開(kāi)采過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。當(dāng)前，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙四海，胡于偉等.基于PLC的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2013（08）：102-104.

[2]朱文忠.基于PLC的煤礦掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2013（08）：269-270.

[3]趙亞陽(yáng).煤礦掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2015（09）：200.