帶式輸送機容錯控制方案設(shè)計與實現(xiàn)

王喜軍

(山西焦煤 西山煤電(集團)有限責(zé)任公司東曲煤礦, 山西 古交 030200)

帶式輸送機是煤礦井下運輸系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一,用于實現(xiàn)長距離、大運量輸送物料,其安全、穩(wěn)定、高效運行對于提升煤礦井下生產(chǎn)效率具有非常重要的作用。將容錯控制應(yīng)用于帶式輸送機控制系統(tǒng),能夠使得該設(shè)備在故障條件下繼續(xù)穩(wěn)健運行。主動控制容錯即根據(jù)故障信息在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)或者改變控制器結(jié)構(gòu),使得原設(shè)備控制系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運行。主動控制容錯機制能夠根據(jù)帶式輸送機故障類型、故障性質(zhì)調(diào)整系統(tǒng)控制律和控制參數(shù),處理并容忍指定故障,保證帶式輸送機正常運行[1-2]. 帶式輸送機容錯控制方案的控制目標(biāo)主要為實現(xiàn)故障狀態(tài)下帶式輸送機自動糾錯、降指標(biāo)運行以及控制律在線重組。以帶式輸送機控制系統(tǒng)為研究對象,設(shè)計容錯控制方案,以提升帶式輸送機的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

帶式輸送機容錯控制方案為廣義的主動性容錯控制,用于處理帶式輸送機的跑偏、撕裂、煙霧、打滑等故障,實現(xiàn)最大限度的帶式輸送機連續(xù)運行,要求控制系統(tǒng)在故障狀態(tài)下實現(xiàn)糾錯控制和降指標(biāo)運行。帶式輸送機容錯控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,由故障檢測與診斷FDD(Fault Detect and Diagnosis)、故障分類器FCD(Fault Classifying Device)以及控制參考重置CRRP(Control Reference Replacement)3部分組成[3-4],虛線內(nèi)部分為原帶式輸送機控制系統(tǒng)。圖1中的U為控制輸出信號,X為狀態(tài)輸入信號,R為參考輸入信號。帶式輸送機容錯控制方案的控制過程為：1) 從帶式輸送機故障信號中提取故障模式特征向量。2) 根據(jù)提取的故障模式特征向量進行故障分類,確定容錯控制參考變量,降低控制要求;采用RBFN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。3) 實施新的控制律,進行糾錯與降指標(biāo)容錯控制。4) 當(dāng)帶式輸送機故障修復(fù)后,將控制參考變量恢復(fù)至正常運行時的控制參考變量。

圖1 帶式輸送機容錯控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件選型

帶式輸送機容錯控制方案用到的主要硬件設(shè)備包括PLC控制器、HMI顯示屏等。PLC控制器選用AB的ControlLogix 5580 1756-L82E高性能控制,自帶10 MB用戶內(nèi)存、USB端口、1個千兆以太網(wǎng)端口、175個EtherNet/IP設(shè)備,4個字符的字母/數(shù)字顯示器[5-7]. HMI選用AB的Bulletins 6181X顯示屏集成式計算機,為12.1英寸TFT彩色顯示單元投射電容式顯示屏,支持1 300 nit超高亮度顯示,工作溫度范圍為-20～75 ℃;附帶128 GB固態(tài)驅(qū)動器、CompactFlash類型卡槽以及PCle擴展插槽;支持TCP/IP、Modbus以及CAN等多種通訊模式;支持系統(tǒng)備份、克隆以及故障診斷等。選用的PLC控制器、HMI滿足帶式輸送機容錯控制方案設(shè)計要求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

帶式輸送機容錯控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計見圖2,通過Remote I/O Net主從式網(wǎng)絡(luò)將帶式輸送機控制系統(tǒng)主站、從站進行連接,構(gòu)成帶式輸送機基本控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。1#監(jiān)控機、2#監(jiān)控機為帶式輸送機的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)節(jié)點,以Modbus TCP通訊模式與PLC控制系統(tǒng)主站連接,以圖形、動畫方式實現(xiàn)帶式輸送機實時、遠程監(jiān)控,并通過指令操作接口實現(xiàn)設(shè)備流程控制級控制[5-6]. 容錯計算機為容錯控制網(wǎng)絡(luò)上層控制中心,以TCP/IP通訊模式與2個監(jiān)控機相連,外掛于帶式輸送機控制系統(tǒng),用于處理設(shè)備的故障診斷、故障分類以及控制律重組等。PLC控制系統(tǒng)主站、PLC控制系統(tǒng)從站為容錯控制網(wǎng)絡(luò)下層控制中心,用于處理帶式輸送機邏輯變量、連續(xù)變量型故障信息。

圖2 硬件網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計圖

2.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計

帶式輸送機容錯控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設(shè)計見圖3,帶式輸送機所有數(shù)據(jù)經(jīng)主PLC控制器后,由I/O驅(qū)動器以Modbus通訊模式將數(shù)據(jù)映射至數(shù)據(jù)映射表DIT(Driver Image Table),完成設(shè)備與容錯控制計算機間的數(shù)據(jù)同步。FIX組態(tài)軟件以毫秒級速率刷新內(nèi)置的過程數(shù)據(jù)庫PDB(Process DataBase),并與DIT進行毫秒級高速數(shù)據(jù)傳輸。由于外部程序無法直接訪問PDB,因此,帶式輸送機容錯應(yīng)用程序經(jīng)OPC接口實現(xiàn)PDB數(shù)據(jù)訪問,讀取設(shè)備故障信息并經(jīng)解析、解算后發(fā)出控制指令用于故障狀態(tài)時的帶式輸送機控制[7]. DDE(Dynamic Data Exchange)、ODBC(Open DataBase Connection)以及iHistorian為帶式輸送機容錯控制系統(tǒng)對外的數(shù)據(jù)接口,即外部系統(tǒng)可通過上述3種方式進行訪問。

圖3 硬件數(shù)據(jù)接口設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

3.1 容錯控制應(yīng)用程序

帶式輸送機容錯控制應(yīng)用程序外掛于控制系統(tǒng),為獨立程序,通過PDB與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)程序進行數(shù)據(jù)交換,保持容錯控制應(yīng)用程序的相對獨立性。容錯控制應(yīng)用程序由C++編程實現(xiàn),分為容錯控制處理程序模塊、人機界面程序模塊。容錯控制處理程序流程見圖4,核心為RBFN運算模塊。在PLC控制器掃描周期內(nèi),查詢控制器每一個I/O狀態(tài)以及通訊狀態(tài),識別帶式輸送機運行狀態(tài)以及故障。當(dāng)故障發(fā)生時,對故障進行分類、提取故障特征向量,經(jīng)RBFN運算后確定容錯控制參考變量并生成容錯控制律索引號寫入PDB中,等待下一個PLC控制器掃描周期識別容錯控制律索引號并利用跳轉(zhuǎn)指令將PLC程序跳轉(zhuǎn)至容錯控制處理程序流程,實現(xiàn)帶式輸送機容錯控制。

圖4 容錯控制處理程序流程圖

3.2 設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用程序

帶式輸送機設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用程序基于FIX組態(tài)軟件實現(xiàn),包括：1) 圖形界面設(shè)計子程序,如模擬顯示界面、狀態(tài)數(shù)據(jù)界面、輸煤監(jiān)測與記錄界面、報警與故障記錄界面、設(shè)備控制界面等。2) 數(shù)據(jù)接口子程序,用于實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用程序與PLC控制系統(tǒng)主站、PLC控制系統(tǒng)從站間的數(shù)據(jù)傳送與解析。

4 試驗分析

將設(shè)計并實現(xiàn)的容錯控制方案應(yīng)用于帶式輸送機控制系統(tǒng),將故障控制模式優(yōu)化為故障→糾錯與降指標(biāo)運行→不間斷運行→非運行狀態(tài)修復(fù)→系統(tǒng)有效度不變,顯著提升了帶式輸送機系統(tǒng)的可靠性。該容錯控制方案應(yīng)用于山西焦煤西山煤電(集團)有限責(zé)任公司東曲煤礦的帶式輸送機控制系統(tǒng),連續(xù)運行6個月,對每月帶式輸送機停機故障率、緊急停車率數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計并分析,并與未使用該容錯控制方案的停機故障率、緊急停車率數(shù)據(jù)進行對比分析,見圖5,圖6. 由圖5,6可知,設(shè)備停機故障率由原來的每月約7.1%下降至約2.8%,設(shè)備停機故障率下降了60.6%;針對帶式輸送機跑偏、撕裂、煙霧、打滑等故障,設(shè)備的緊急停車率由原來的每月約6.1%下降至1.8%,下降了71%. 同時,控制系統(tǒng)的有效度由原來的89%提升至96%以上。

圖5 停機故障率曲線圖

圖6 緊急停車率曲線圖

5 結(jié) 論

結(jié)合故障診斷、容錯控制技術(shù),設(shè)計一種帶式輸送機容錯控制方案,實現(xiàn)了故障狀態(tài)下帶式輸送機自動糾錯、降指標(biāo)運行以及控制律在線重組。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,該帶式輸送機容錯控制方案滿足設(shè)計要求,提升了帶式輸送機的安全性和可靠性,社會經(jīng)濟效益顯著。