基于PLC的多中段提升機自適應(yīng)速度控制及保護方法

李志杰，堅德毅

（1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741000）

礦井提升機是煤礦、有色金屬等礦山行業(yè)生產(chǎn)過程中的大型關(guān)鍵設(shè)備，是井下人員與設(shè)備通往地面的唯一通道，其可靠性和性能直接影響到礦山的高效生產(chǎn)、作業(yè)人員的生命安全等。尤其對于礦井提升機電控系統(tǒng)，提高提升機系統(tǒng)性能與可靠性，是減少礦山事故的關(guān)鍵，其合理的控制邏輯是高效生產(chǎn)的重要影響因素。礦井提升機主要用于升降人員、礦石和材料等，其分類多樣。本論文主要以按井道（井筒）、停車點分類的豎井多中段提升機為控制對象，對其全行程的速度控制及速度保護使用自適應(yīng)算法，在豎井多中段提升機電控系統(tǒng)實際應(yīng)用中突顯出了外部檢測設(shè)備少，生產(chǎn)效率高，運行保護可靠等優(yōu)點，此控制方法同樣也適用于斜井提升機。

為實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)性能，通過構(gòu)建主從式網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多點并行計算，各子節(jié)點完成計算后將結(jié)果回傳至主節(jié)點進行匯總分析，再將分析后的最優(yōu)控制指令下發(fā)至各個控制單元，在相同的掃描周期內(nèi)獲得更多的數(shù)據(jù)樣本，縮短計算時間。

主控CPU是主從網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主站，完成整個提升機電控系統(tǒng)的協(xié)作控制，是自適應(yīng)速度保護及速度控制算法的核心。對傳動系統(tǒng)下發(fā)控制指令，于傳動系統(tǒng)采用PROFINET通訊，操作站是提升機電控系統(tǒng)的操控核心，主要完成提升機行程計算并將運算結(jié)果傳送至主控CPU。信號CPU除處理提升信號外，還完成最優(yōu)行程規(guī)劃功能，并能屏蔽錯誤信號，將運算數(shù)據(jù)發(fā)送給主控CPU完成傳動系統(tǒng)的控制。

1 自適應(yīng)速度控制及保護原理

以13個提升中段，7種運行速度（不含爬行速度、檢修速度等低速）的提升機為例；對于每個中段而言，無論是提升或下放作業(yè)時，到任一目標(biāo)中段的運行速度都有出現(xiàn)這7種速度中某一特定速度的概率，而提升作業(yè)與下方作業(yè)時又對應(yīng)不同的上與下減速點，因此，系統(tǒng)會存在168個減速點。而自適應(yīng)算法依據(jù)精確的罐籠位置數(shù)據(jù)，采取程序算法計算出每個精準(zhǔn)的減速點，從而取代掉繁多的硬件檢測設(shè)備。

自適應(yīng)算法的核心思路就是建立7種提升機下放運行的速度參考模型，依據(jù)開車信號搜索系統(tǒng)全局最優(yōu)解的方法。其直接目的就是達到：①讓提升機在特定行程范圍內(nèi)以安全的速度運行。②為各種運行速度選擇最優(yōu)減速點，保證安全減速距離的前提下，盡量縮短減速距離，達到高效生產(chǎn)目的。

為此，首先，傳動系統(tǒng)需具備調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應(yīng)塊、控制精度高的特點，我們優(yōu)選主從結(jié)構(gòu)的雙閉環(huán)直流調(diào)速傳動方案來驅(qū)動一臺直流電機，本文不再復(fù)贅。

其次，為了提高速度控制和速度保護曲線的精確度，首先要有較快的采樣時間，其次要有精度較高的樣本。為此我們采用了S71500系列的高性能CPU作為主控PLC，選用高精度增量式脈沖編碼器及高速計數(shù)模塊,并增加倍頻計算功能來計算罐籠位置。這樣就具備了自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可以更加快速地掌握設(shè)備最新狀態(tài)，提高控制的實時性。

最后為確保位置計算的可靠性，分別在滾筒與天輪上各安裝一只編碼器，對計算結(jié)果進行實時比較。

1.1 行程計算原理

行程計算時，機械結(jié)構(gòu)特性、鋼絲繩纏繞層數(shù)變化引起的滾筒直徑變化、每層鋼絲繩纏繞圈數(shù)不同等所帶來的誤差性問題都是需要考慮的關(guān)鍵因素，是控制系統(tǒng)最基本也是最重要的參數(shù)，為解決這一問題，我們采取分層累積算法，利用該算法我們成功地解決了行程控制中因鋼絲繩均勻性差異導(dǎo)致誤差的問題。

該算法的具體計算流程如下：

第一步，根據(jù)設(shè)備設(shè)定3個參數(shù)的取值區(qū)間。設(shè)KP∈[p1,p2]，KI∈[i1,i2]，KD∈[d1,d2]。

第二步，依據(jù)外部檢測信號計算運行距離：

式中滾筒直徑D,鋼絲繩直徑d，纏繞層數(shù)Kp，每層鋼絲繩圈數(shù)Kd，機械系數(shù)Kt,脈沖數(shù)P。其中Kp的取值由Kd及外部信號決定。

這樣，我們就得到了精度較高的提升機罐籠位置數(shù)據(jù)。

1.2 速度曲線計算

在提升機提升/下放運行前，信號系統(tǒng)所發(fā)出開車信號后，主控PLC程序依據(jù)加速度、運行距離提前經(jīng)函數(shù)運算，生成速度圖。信號系統(tǒng)發(fā)出運行命令后，判斷本次運行所允許運行的最大速度：當(dāng)本次提升距離大于S1時，提升機系統(tǒng)設(shè)定提升容器以最大速度V1運行，當(dāng)本次提升距離小于等于S1，且大于S2時，提升機系統(tǒng)設(shè)定提升容器以最大速度V2運行，當(dāng)本次提升距離小于等于S2，大于S3時，提升機系統(tǒng)設(shè)定提升容器以最大速度V3運行，如此往復(fù)，根據(jù)設(shè)計及工況需要，由運行距離確定出本次提升的最大運行速度Vmax1；再通過提升種類（如礦石、人員、檢修等），確定出另一種最大速度Vmax2。兩種最大速度相比較，取較小的一個速度設(shè)定為本次提升的最大速度Vmax。

根據(jù)呼叫提升容器的水平，確定本次運行的終止點d；根據(jù)此時提升容器的深度，確定本次提升的起始點o；按照工況要求，手動輸入提升容器的爬行距離D；依據(jù)圖2所示，根據(jù)不同的最大速度、固定的最大加速度、固定的最大急動度，程序計算不同的加速距離A及減速距離C，如式2所示。

不同行程的理論運行速度。設(shè)加速段速度曲線為Voa,減速段速度曲線為Vbc,等速段速度為定值Vbc,通過如下函數(shù)計算，對應(yīng)出不同位置的理論運行速度：

對于本文7種速度的提升機，需計算出7種速度圖模型，并將其存儲于數(shù)據(jù)庫中，作為不同行程范圍的速度控制及速度保護的參考模型。

1.3 速度控制自適應(yīng)算法

為了實現(xiàn)多中段豎井提升機在不同的行程范圍能以最優(yōu)速度圖為模型運行，根據(jù)提升信號的特征自動調(diào)用速度圖模型和速度控制處理順序，結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)，差別僅在于等速段的距離差異，可以根據(jù)外部信號調(diào)整，以取得最佳的處理效果。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)由1.2節(jié)計算出的速度圖模型、速度給定的輸出、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機構(gòu)等部分組成，包括內(nèi)回路（主控程序）和外回路（開車信號）兩個回路。內(nèi)環(huán)是由被控對象和控制器組成的普通反饋回路，而控制器的參數(shù)則由外回路調(diào)整。參考模型的輸出直接表示了對象輸出應(yīng)當(dāng)怎樣理想地響應(yīng)參考輸入信號S。

當(dāng)輸入s同時加到系統(tǒng)和模型的入口時，運行系統(tǒng)的輸出y響應(yīng)由開車信號確定的速度圖模型模型yt，由于不同行程范圍的組合方式繁多，模型yt與輸出y不一定一致，結(jié)果將產(chǎn)生偏差信號e,且此偏差僅為等速段距離的偏差，由自適應(yīng)程序機構(gòu)監(jiān)視此參數(shù)的實時變化，并當(dāng)出現(xiàn)故障中段時，依據(jù)開車信號的變化具有修正輸出y功能，當(dāng)系統(tǒng)輸出y=yt時，系統(tǒng)按照速度圖模型運行。

1.4 速度保護曲線

在理論運行速度不大于判斷出的最大速度的情況下，將各個區(qū)間的不同的理論運行速度放大5%至10%，作為全行程超速保護曲線的超速保護裕量，實際速度以曲線的方式越過全行程超速保護曲線所包絡(luò)的范圍，實際速度曲線一旦超過數(shù)字監(jiān)控包絡(luò)線，即圖2實線超越虛線時，系統(tǒng)將會報超速故障，切斷提升機軟件安全回路，施閘停車。

圖2 速度包絡(luò)曲線

2 結(jié)論

本文傳統(tǒng)多中段豎井提升機速度控制及保護受限于初始化條件復(fù)雜，硬件設(shè)備多其實時性及精準(zhǔn)度不高，在運行效率方面很難做到多速度作業(yè)，在速度保護方面僅在井口裝設(shè)有減速開關(guān)，井筒中速度控制依靠司機操控，對操作員高度依賴，無論是運行效率還是安全系數(shù)都得不到保障。

自適應(yīng)速度保護及速度控制算法不僅具有初始化條件簡潔、硬件設(shè)備簡潔，并且能夠搜索系統(tǒng)全局最優(yōu)解的優(yōu)點，而且其自適應(yīng)性可以更快地淘汰掉較差個體使算法的收斂效率更高。同時，它的在線模式可以實時地獲取設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而能夠及時更新并調(diào)整參數(shù)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性、安全性，因此這種自適應(yīng)算法特別適用于實時性要求較高的多中段礦井提升機自動控制系統(tǒng)中。