基于模糊算法的煤礦皮帶PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶紅

摘 要 針對礦井運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸量大、運(yùn)行線路長、巷道狹窄、環(huán)境惡劣、線路復(fù)雜等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于模糊算法的煤礦皮帶PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器PLC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測、采集、監(jiān)控及控制功能。利用模糊控制簡化系統(tǒng)動態(tài)，適用于更加復(fù)雜的被控對象，而且不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較好的控制，實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)速率的調(diào)節(jié)，達(dá)到理想運(yùn)載速度。

關(guān)鍵詞 煤礦 皮帶 模糊控制 PLC

一、緒論

中國作為第一大產(chǎn)煤國，通常以帶式輸送機(jī)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)作為主要運(yùn)輸工具，實(shí)現(xiàn)了煤礦井上和井下的統(tǒng)一運(yùn)輸。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)的重要一環(huán)，特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)輸量大，同時具有較高的安全性能，這種成熟的運(yùn)輸系統(tǒng)大大提高了煤炭產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

我國礦井深度普遍在500米，大型礦井深度已經(jīng)達(dá)到1000多米，礦井深度的加深，直接導(dǎo)致了礦井運(yùn)輸系統(tǒng)線路過長、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)過多、崗位過多、環(huán)境惡劣等問題，這些問題將直接影響運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全性，并且關(guān)系著礦井工作人員的人身安全以及企業(yè)效益。本文綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)與控制理論，設(shè)計(jì)了針對皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)。

二、皮帶控制系統(tǒng)組成

皮帶運(yùn)輸集控系統(tǒng)通過對皮帶運(yùn)輸煤礦的生產(chǎn)過程及廢矸石在運(yùn)輸過程中的運(yùn)輸狀況、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備信息等參數(shù)實(shí)行集中監(jiān)視和控制，集成了煤炭運(yùn)輸、實(shí)時通訊、故障監(jiān)控、設(shè)備保護(hù)功能，最終實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸?shù)臒o人值守。PLC控制系統(tǒng)可以獨(dú)立地運(yùn)行，也可以接入煤礦自動化綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制。為實(shí)現(xiàn)井下各層之間穩(wěn)定、可靠的通信，本系統(tǒng)將檢測和監(jiān)控統(tǒng)一結(jié)合，優(yōu)化了程序的運(yùn)行、執(zhí)行和調(diào)度，提高數(shù)據(jù)采集和傳輸效率。針對太平煤礦皮帶集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合考慮礦井現(xiàn)場環(huán)境并結(jié)合實(shí)際需求，采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，并配合現(xiàn)有成熟穩(wěn)定的集控思路，完成系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。以下是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求：

第一，穩(wěn)定性。確保檢測和監(jiān)控連續(xù)不間斷，可靠且穩(wěn)定地運(yùn)行，保障工業(yè)生產(chǎn)安全進(jìn)行。

第二，先進(jìn)性。整個系統(tǒng)保持一定的先進(jìn)性，采用領(lǐng)先的設(shè)備和技術(shù)，保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，符合當(dāng)前技術(shù)和管理方向。

第三，可擴(kuò)展性。系統(tǒng)當(dāng)前設(shè)計(jì)具有一定前瞻性，還保留系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不斷增加的擴(kuò)展需求。

第四，實(shí)時性。保證系統(tǒng)能夠及時處理皮帶傳輸系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的時效性，保障安全生產(chǎn)。

三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比于其他PLC，SIEMENS公司生產(chǎn)的S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7-300具有較強(qiáng)的控制功能和運(yùn)算能力，成本適中，它不僅能完成一般的邏輯運(yùn)算，也能完成比較復(fù)雜的三角函數(shù)、指數(shù)和PID運(yùn)算。它采用模塊化結(jié)構(gòu)且速度快，輸入輸出模塊的數(shù)量與種類比較多，而且具備軟冗余和硬冗余功能，模塊支持熱插拔，使得整個系統(tǒng)性能可靠，維護(hù)方便，具有較強(qiáng)的控制功能和運(yùn)算能力，性價比高。考慮到煤礦運(yùn)輸區(qū)較為惡劣的環(huán)境以及對礦用設(shè)備控制的復(fù)雜性與安全性，所以，本系統(tǒng)采用SIEMENS 公司的S7-300系列的高端工業(yè) PLC 作為控制處理器，采用主分站的分布模式，利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)主分站之間數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定的實(shí)時交換。S7-300 采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要部分由 CPU 模塊、電源模塊、擴(kuò)展模塊以及必要的通信模塊組成，根據(jù)具體需求，本系統(tǒng)在主站主要安放了PLC的CPU 模塊與電源模塊。

（二）模糊算法設(shè)計(jì)

模糊控制器作為本系統(tǒng)控制的核心，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到最終控制效果的好壞。在煤礦運(yùn)輸實(shí)際操作中，皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動與運(yùn)行速度會受到運(yùn)載煤料的影響，速度變化會具有非線性、時變性、滯后性等特性，建立數(shù)學(xué)模型會相對困難。模糊控制適用于非線性控制，尤其是對復(fù)雜多變的被控對象，不用為其系統(tǒng)建模，就可以對皮帶機(jī)進(jìn)行調(diào)速穩(wěn)速，達(dá)到理想的運(yùn)載速度。

本系統(tǒng)通過速度傳感器獲取皮帶的帶速V，并把值傳遞給控制器，然后，控制器把系統(tǒng)設(shè)定的帶速V0與V進(jìn)行比較，獲得速度誤差值e和誤差變化率ec，控制器將e和ec進(jìn)行模糊推理與計(jì)算后得出模糊控制變量ux，可得到相應(yīng)的模糊控制查詢表并存儲在PLC內(nèi)部。再找出對應(yīng)的模糊控制實(shí)際輸出量u，u與V對應(yīng)的控制輸出量uv進(jìn)行疊加運(yùn)算就得到實(shí)際的控制量u。利用D/A轉(zhuǎn)換模塊把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為控制電流以控制變頻器的供電頻率f1，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)皮帶的調(diào)速穩(wěn)速。在這個過程中，查表是為了減少在線計(jì)算量，提高運(yùn)行效率，將該模糊控制表置于 PLC，供實(shí)時控制時使用。

由仿真結(jié)果可以看出，相比于PID控制，模糊控制在電機(jī)啟動時超調(diào)量更小，調(diào)節(jié)時間更短，響應(yīng)速度更快；而當(dāng)有負(fù)載擾動的情況下，只需要 0.20秒就能快速地回到設(shè)定的穩(wěn)定值，PID控制則需要0.33秒左右。也就是說，模糊控制調(diào)速的效果比PID的控制效果更優(yōu)。

四、結(jié)語

煤料的運(yùn)載會對皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動與運(yùn)行速度造成影響，速度變化會有非線性、時變性、滯后性的特性，建立數(shù)學(xué)模型困難。本系統(tǒng)通過模糊控制，并采用SIEMENS公司S7-300系列的高端工業(yè)PLC作為控制處理器，使用主分站的分布模式與工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時交換，實(shí)現(xiàn)了煤礦皮帶速度的實(shí)時、穩(wěn)定、高效控制。

（作者單位為鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司唐家會礦）

參考文獻(xiàn)

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