礦井提升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王 晶

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

0 引 言

礦井提升機(jī)作為井下與地面的運(yùn)輸扭帶，主要用于井下與地面的運(yùn)輸，一方面是為井下輸送工作人員以及工作面開(kāi)采需要的設(shè)備和物資，另一方面是將井下的礦物及矸石傳輸?shù)降孛?。作為開(kāi)采生產(chǎn)中一個(gè)必要環(huán)節(jié)，對(duì)于提升控制系統(tǒng)的高效對(duì)于提升機(jī)的運(yùn)輸極為重要。由于傳統(tǒng)提升機(jī)的控制系統(tǒng)一般是通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的提速。這種方式是通過(guò)改變串入電阻阻值來(lái)完成調(diào)速的目的，然而這種調(diào)速模式有著諸多問(wèn)題，不夠安全可靠，設(shè)備占地面積大，維修麻煩，這種調(diào)速模式已經(jīng)跟不上時(shí)代的步伐，亦不能滿(mǎn)足煤企生產(chǎn)，已經(jīng)逐步被淘汰，因此高效可靠地提升控制系統(tǒng)對(duì)于煤企生產(chǎn)有著重大意義。

本文基于PLC 對(duì)礦井提升系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行了自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井提升運(yùn)輸機(jī)的智能化控制。

1 調(diào)速原理

對(duì)于提升機(jī)的提升速度、加/ 減速度、提升距離都與提升時(shí)間存在一定對(duì)應(yīng)的關(guān)系，提升機(jī)工作的時(shí)候，速度具有一定的規(guī)律，通過(guò)繪制提升機(jī)速度和時(shí)間相對(duì)應(yīng)的圖來(lái)描述這一規(guī)律，這種圖形稱(chēng)之為提升機(jī)速度圖1。

圖1 提升機(jī)速度圖

在圖1 的提升機(jī)速度圖中，T0 為提升機(jī)起始加速階段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后進(jìn)入主加速階段（T1），在T2 階段即提升機(jī)的等速階段速度平穩(wěn)運(yùn)行，隨后進(jìn)入T3 減速階段，經(jīng)T5 減速階段后進(jìn)入θ 停車(chē)階段，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可由電機(jī)的頻率大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，其調(diào)節(jié)關(guān)系式如下：

式中：n 為轉(zhuǎn)速；f 為供電頻率；s 為轉(zhuǎn)差率；p 為磁極數(shù)，就可以得出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻器及PLC 是提升機(jī)提升系統(tǒng)的核心的部件。通過(guò)利用型號(hào)為S7- 300 的PLC 中的功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析計(jì)算，發(fā)出控制指令，信號(hào)模塊有數(shù)字量和模擬量?jī)煞N類(lèi)型，用于接收信息和發(fā)送指令。S7- 300 中的Moudbus 模塊為通信模塊，通過(guò)對(duì)其參數(shù)的設(shè)定可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的需求。

圖2 S7- 300 硬件組成圖

系統(tǒng)I/O 接口分配，開(kāi)關(guān)量輸入輸出分別有140和69 個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸入輸出備用12 和5 個(gè)以防不時(shí)之需。模擬量輸入輸出分別有6 和2 個(gè)。

變頻器由主回路和控制回路為其主要結(jié)構(gòu)部分，本文所選用的變頻器型號(hào)為JD- BP37/38，該變頻器性能比同類(lèi)產(chǎn)品更高，如互換功能，瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能等，支持MODBUS 和PROFIBUS 協(xié)議，最大的特點(diǎn)是該變頻器運(yùn)用了最新技術(shù)，對(duì)于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制是通過(guò)電壓矢量和載波移相技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序

PLC 程序編寫(xiě)在 STEP7 操作，STEP7 程序以塊來(lái)呈現(xiàn)，方便用戶(hù)調(diào)試修改，編寫(xiě)不同功能的塊，在主程序中直接調(diào)用，同時(shí)也存在不同的子程序，一起構(gòu)成整個(gè)程序，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3.2 安全保護(hù)模塊

提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可能出現(xiàn)故障，所以提升機(jī)電控系統(tǒng)必須要有安全保護(hù)措施，目前常見(jiàn)的故障主要有變頻器故障、過(guò)速、過(guò)卷、彈簧盤(pán)疲勞等等，就有相應(yīng)的保護(hù)，通常安全模塊的設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 安全模塊設(shè)計(jì)流程

3.3 模擬量模塊

控制系統(tǒng)的控制流程一般為，傳感器將收集的數(shù)據(jù)信息傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC 中的CPU 模塊進(jìn)行信息處理最終發(fā)出匹配的指令，就會(huì)涉及到模擬量信息和指令，所以模擬量模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，模擬量模塊設(shè)計(jì)流程如圖5。

圖5 模擬量模塊設(shè)計(jì)流程

3.4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話窗口[3]，為了方便現(xiàn)場(chǎng)使用，必須設(shè)計(jì)合適的人機(jī)交互界面。在界面上需要做到顯示提升機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)和參數(shù)，監(jiān)測(cè)參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并能做出警示。本次設(shè)計(jì)選用MCGS 進(jìn)行人機(jī)界面的制作，初始化界面如圖6，除此以外界面中還包括了故障畫(huà)面、提升機(jī)參數(shù)等等，可以點(diǎn)擊相關(guān)按鈕進(jìn)行查看。

圖6 人機(jī)交互初始化界面

4 模糊自適應(yīng)整定PID 在提升機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)用

4.1 模糊控制原理

對(duì)于運(yùn)用的智能控制方法是借由模糊控制理論體系實(shí)現(xiàn)的。所謂模糊控制是依托模糊理論、語(yǔ)言及邏輯為基礎(chǔ)的一種控制。其原理類(lèi)似于人處理事件時(shí)所作出的判斷和決定，只要是通過(guò)學(xué)習(xí)前人的經(jīng)驗(yàn)和比較專(zhuān)業(yè)人士的理論，將其設(shè)定為相應(yīng)的規(guī)則同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)模糊化，經(jīng)過(guò)對(duì)模糊信號(hào)的傳輸、處理、輸出一系列動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)模糊控制。模糊控制原理圖如圖7。

圖7 模糊控制原理圖

4.2 模糊自適應(yīng)整定PID

PID 對(duì)于線性系統(tǒng)有著較好的控制，所以PID 在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用很多，對(duì)PID 控制影響的有三個(gè)參數(shù)分別是比例調(diào)節(jié)系數(shù)、積分調(diào)節(jié)系數(shù)、微分調(diào)節(jié)系數(shù)，這三個(gè)參數(shù)分別在PID 控制中起不同的作用。比例調(diào)節(jié)系數(shù)改變系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)的速率，積分調(diào)節(jié)系數(shù)用于在系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)后，消除誤差，微分調(diào)節(jié)系數(shù)通過(guò)修正誤差的改變趨勢(shì)，使得PID 控制有更好的效果。

最優(yōu)控制是將模糊控制與PID 控制的整合，通過(guò)控制系統(tǒng)的融合使得模糊自適應(yīng)整定PID 更加高效。要想在工業(yè)中良好的運(yùn)用模糊自適應(yīng)整定PID，首先對(duì)工藝流程非常熟悉，搭建需要的模型，收集相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和現(xiàn)場(chǎng)工人師傅平時(shí)操作經(jīng)驗(yàn)，整理專(zhuān)家知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，做出相應(yīng)的控制規(guī)則，并將規(guī)則模糊化，最后完成PID 三個(gè)參數(shù)最優(yōu)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的最優(yōu)控制。

圖8 模糊自適應(yīng)整定PID 結(jié)構(gòu)

為了比傳統(tǒng)PID 控制更加高效，更好的應(yīng)用于礦井提升系統(tǒng)。根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)輸入量E（誤差）和EC(誤差變化率)的參數(shù)整定，優(yōu)化其參數(shù)。模糊自適應(yīng)整定PID 結(jié)構(gòu)如圖8，將E（誤差）和EC(誤差變化率)參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，便于智能系統(tǒng)的控制?？刂破鲗?duì)模糊信號(hào)進(jìn)行推理后，會(huì)通過(guò)模糊處理將PID參數(shù)進(jìn)行整定最終得出三個(gè)參數(shù)的修正量。結(jié)合參數(shù)修正量與PID 參數(shù)初始量，得到新的參數(shù)，即為整定PID 參數(shù)。

4.3 模糊自適應(yīng)整定PID 控制器設(shè)計(jì)

確定控制器結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)整定PID 控制器的首要任務(wù)，其中輸入量為E 和Ec，輸出量是PID 參數(shù)的修正系數(shù)，最后將其結(jié)構(gòu)在Matlab 仿真模塊中的用fuzzy 指令對(duì)控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。第二步，確定模糊集和論域，本次設(shè)計(jì)中將模糊集分為7 個(gè)等級(jí)，分別是 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，相應(yīng)的論域{- 6、- 4、- 2、0、2、4、6},。第三步對(duì)控制器隸屬度函數(shù)的確定，采用高斯型隸屬函數(shù)作為輸入量，采用三角形函數(shù)為控制器的輸出量。最后一步，確立控制規(guī)則，根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)和工人操作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)誤差實(shí)時(shí)反饋設(shè)計(jì)出極大減小誤差的控制規(guī)則。

4.4 模糊自適應(yīng)整定PID 實(shí)現(xiàn)方法

本次控制系統(tǒng)選用S7- 300PLC，較難編寫(xiě)模糊控制規(guī)則，在STEP 7 中編輯隸屬度函數(shù)比較困難，所以較難實(shí)現(xiàn)在線進(jìn)行控制，而對(duì)于離線控制是容易實(shí)現(xiàn)的。將控制語(yǔ)言整理成特殊的存儲(chǔ)格式，將其儲(chǔ)存在型號(hào)為S7- 300 的PLC 存儲(chǔ)器中。在控制系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候通過(guò)對(duì)調(diào)用尋址的方式將PID 參數(shù)傳輸?shù)娇刂破髦?。從而?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

分析目前煤礦提升系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在系統(tǒng)消耗高，故障率高，控制不靈活的問(wèn)題，為了解決當(dāng)前問(wèn)題，提高礦井提升系統(tǒng)的效率，根據(jù)提升機(jī)調(diào)速原理，設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的控制系統(tǒng)，用模糊自適應(yīng)整定PID 控制方法，通過(guò)模糊控制和PID 控制相結(jié)合，大幅度增加了提升系統(tǒng)的性能。

對(duì)于本系統(tǒng)在礦井提升中的應(yīng)用，充分的證實(shí)本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模糊控制和PID 控制單一控制相比，該提升系統(tǒng)性能更加優(yōu)良，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用前景更寬范。