PLC模糊控制在帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

聶勇

摘 要：帶式輸送機(jī)作為煤礦井下的主要生產(chǎn)運(yùn)輸工具，由于其運(yùn)輸距離長、運(yùn)量大，長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下易發(fā)生機(jī)械故障。特別是采用傳統(tǒng)的控制方式會(huì)造成帶速頻繁改變，導(dǎo)致輸送機(jī)電機(jī)頻繁啟停，損害電機(jī)縮減使用壽命。本文結(jié)合帶式輸送機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)與工作原理，基于PLC和模糊控制的基本原理設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制系統(tǒng)，試驗(yàn)取得良好效果，提高了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī);智能控制系統(tǒng);PLC模糊控制;非線性控制

帶式輸送機(jī)具有運(yùn)輸距離長、運(yùn)量大和運(yùn)行效率高等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，是煤礦井下的主要生產(chǎn)運(yùn)輸工具。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸過程中由于運(yùn)輸量不穩(wěn)定，運(yùn)行速度固定不變，在運(yùn)輸量小時(shí)易導(dǎo)致帶式輸送機(jī)空載，電機(jī)的頻繁啟停還會(huì)損害電機(jī)[1]。為提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，采用PLC和模糊控制算法來提升對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確控制，系統(tǒng)節(jié)能顯著，運(yùn)行安全穩(wěn)定性高，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。

1 智能控制系統(tǒng)的組成

帶式輸送機(jī)因其運(yùn)輸距離長、負(fù)載大在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用。煤礦井下的帶式輸送機(jī)是由雙滾筒多電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而滿足長距離、高負(fù)載的要求。但煤礦井下復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)控制方案老舊，對(duì)控制設(shè)備要求高，常采用傳統(tǒng)防爆設(shè)備進(jìn)行簡單控制，從控制效率上并不能配合電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高效工作。以帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究其在該領(lǐng)域的應(yīng)用，為帶式輸送機(jī)的研究與發(fā)展提供一些參考與借鑒[2]。

智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。帶式輸送機(jī)的控制核心在于PLC可編程邏輯控制器。由主站上位機(jī)通過Profibus-DP總線進(jìn)行與從站通信，通過RS485與變頻器進(jìn)行通信，由變頻器控制帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

2 模糊控制理論

模糊控制器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊的3個(gè)部分。E和EC分別為e和ec模糊后的模糊量;U為模糊控制量;u為U解模糊化后的精確量。Ke、Kec、Ku分別為e、ec和u的模糊化因子。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有下面幾步完成。

2.1 建立模糊控制規(guī)則庫

模糊控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分組成。模糊控制算法在實(shí)際工程中硬件主要包括處理器的參數(shù)、系統(tǒng)通訊等;軟件則主要包括算法的邏輯及實(shí)際編程語言的實(shí)現(xiàn)。模糊控制規(guī)則：If E is A and E is B，Then U is C.其中，A、B、C均為模糊集中的元素。

2.2 輸入模糊化

本設(shè)計(jì)將帶速偏差e與帶速偏差變化率ec作為模糊控制算法的輸入量，由以下公式計(jì)算：

通過對(duì)模糊子集的匹配，本文假設(shè)把模糊變量E，Ec以及U分為5擋，即正大（PB）、正小（PS）、零（ZO）、負(fù)小（NS）、負(fù)大（NB）?；趯?duì)模糊算法的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，選取三角形隸屬函數(shù)，本文將U、E、Eec分為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}7檔，則共有49條模糊控制規(guī)則。

2.3 輸出反模糊化

根據(jù)模糊規(guī)則表，由模糊推理合成規(guī)則，可得到如下關(guān)系：U=（E×Ec）×R，以此得到模糊控制量如表所示。得到模糊控制量U以后，再將U乘以Ke于是得到精確控控制量，u再經(jīng)過D/A（數(shù)字量/模擬量）轉(zhuǎn)換模塊輸出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確控制。

3 模糊算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 西門子S7-300可編程邏輯控制器

帶式輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制多采用西門子PLC S7-300型號(hào)，以下討論模糊控制算法在PLC中的應(yīng)用?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的專用型微型計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)與邏輯跟計(jì)算機(jī)基本相同。通過其官方的博途V3進(jìn)行程序的編寫和上傳，通過結(jié)構(gòu)化程序編寫進(jìn)行實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。PLC的編程語言有梯形圖（LD）、指令表（IL）、功能模塊圖（FBD）、順序功能流程圖（SFC）等。PLC也可以通過通信電纜進(jìn)行和上位機(jī)或者下位機(jī)進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化控制。

3.2 程序設(shè)計(jì)流程圖

模糊控制算法可以通過梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)。在模糊控制系統(tǒng)中，采用西門子公司的S7-300型PLC，PLC通過輸入端子采集信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由中央處理器進(jìn)行處理，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換將信號(hào)送至輸出端子控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模糊控制設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

3.3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

首先，將量化因子寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，然后利用A/D模塊將輸入量采集到PLC的DM區(qū)，經(jīng)過限幅量化處理后，根據(jù)它們所對(duì)應(yīng)的輸入模糊論域中的相應(yīng)元素，查模糊控制查詢表，在乘以輸出量化因子即可得到實(shí)際值，由D/A模塊輸出。

在模糊控制算法中，模糊控制量表的查詢是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文將模糊論域的元素{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}轉(zhuǎn)換為{0，1，2，3，4，5，6}，采用基址+變址的尋址方式將模糊控制量表中的U的控制結(jié)果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC的數(shù)據(jù)寄存DB區(qū)中?？刂屏康幕窞?00，其偏移地址為ec5+e，所以根據(jù)ec和e最終得到的控制量地址為100+ec5+e。

4 防真效果分析

使用MATLAB集成的模糊邏輯工具箱針對(duì)井下輸送機(jī)的不同負(fù)載情況應(yīng)用本設(shè)計(jì)的模糊PID算法和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)PID算法進(jìn)行系統(tǒng)仿真比較，得到相應(yīng)曲線如圖3所示。通過仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制算法系統(tǒng)超調(diào)小，響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性高，各方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制，達(dá)到了針對(duì)井下輸送機(jī)負(fù)載條件的控制要求，能夠更加智能地控制輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而也達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

5 結(jié)論

針對(duì)井下帶式輸送機(jī)智能控制的運(yùn)行工作特點(diǎn)，運(yùn)行控制采用恒速運(yùn)行，效率低下問題。PLC和模糊控制的基本原理，設(shè)計(jì)了由可編程邏輯控制器（PLC）為主要核心控制中心的模糊PID智能控制系統(tǒng)。對(duì)PLC系統(tǒng)的硬件組成、模糊算法的基本原理、以及針對(duì)常規(guī)PID規(guī)則優(yōu)化的模糊算法規(guī)則、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過MATLAB工具進(jìn)行了本設(shè)計(jì)的模糊PID算法和常規(guī)PID算法應(yīng)用在輸送機(jī)調(diào)速上的對(duì)比，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)效能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)井下多級(jí)帶式輸送機(jī)根據(jù)不同負(fù)載智能調(diào)節(jié)帶速，提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，傳輸效率的提高，響應(yīng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慧，陸榮.基于PLC和模糊控制的帶式輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)控制研究[J].煤礦機(jī)械，2013（02）：207-209.

[2]楊光輝，安琪.多機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)功率平衡模糊控制方法[J].工礦自動(dòng)化，2014（03）：69-73.