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摘要：目前煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行主要以恒轉(zhuǎn)速模式為主，當(dāng)運(yùn)煤量出現(xiàn)變化時(shí)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速無法與其相匹配，造成運(yùn)行過程不平穩(wěn)及電能損耗較大等問題。在變頻控制技術(shù)的基礎(chǔ)上采用模糊控制設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心的礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)雙CPU冗余自動(dòng)控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié)的同時(shí)，通過雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)有效提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了皮帶機(jī)高效經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：皮帶運(yùn)輸機(jī)；自動(dòng)控制系統(tǒng)；硬件；軟件
0引言
煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中十分重要的一環(huán)，由于井下輸送線較長(zhǎng)，且地形較為復(fù)雜，煤礦普遍采用輸送距離長(zhǎng)、運(yùn)煤量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的皮帶運(yùn)輸機(jī)完成煤炭輸送作業(yè)，因此，皮帶運(yùn)輸機(jī)的高效可靠運(yùn)行是提高煤礦產(chǎn)量、降低運(yùn)輸成本的保障。目前大部分礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)卻采用變頻控制方式，即通過大功率高壓變頻器實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)，但該控制方式無法根據(jù)運(yùn)輸量對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)在某一時(shí)段處于空載、輕載或重載狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)速均維持在設(shè)定值，造成電能損耗嚴(yán)重、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損加劇等問題。針對(duì)上述問題，最有效的解決辦法就是通過更加有效的控制策略對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行自適應(yīng)控制，使控制系統(tǒng)具備隨當(dāng)前煤量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)滾筒電機(jī)功率的功能，從而達(dá)到皮帶運(yùn)輸機(jī)帶速連續(xù)調(diào)節(jié)的目的。根據(jù)上述分析，本文通過引入皮帶秤、帶速傳感器等傳感設(shè)備對(duì)煤流量及帶速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由PLC根據(jù)上述參數(shù)對(duì)變頻器輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的變頻調(diào)速［1］。在此基礎(chǔ)上，本文通過對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)控制精確度，使得變頻控制系統(tǒng)的控制精度及調(diào)速性能有效提升。
1皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本文采用模塊化架構(gòu)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)按照不同功能劃分為不同模塊［2－4］。系統(tǒng)主要功能模塊包括監(jiān)控上位機(jī)模塊、PLC主控模塊、監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊、參數(shù)檢測(cè)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊及通訊模塊，皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，PLC主控模塊為該系統(tǒng)的控制核心，其主要功能是對(duì)監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊及參數(shù)檢測(cè)模塊中各傳感器所采集的皮帶運(yùn)輸機(jī)重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行收集并實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控上位機(jī)中同時(shí)接收來自上位機(jī)的控制及報(bào)警等指令并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)速控制等操作。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及控制效果，本文在傳統(tǒng)單CPU控制器的基礎(chǔ)上采用雙機(jī)熱備冗余技術(shù)，通過額外添加一套主控器CPU、電源模塊及通訊模塊，實(shí)現(xiàn)一主一備雙CPU運(yùn)行，PLC主控模塊雙CPU熱備冗余控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主控系統(tǒng)CPU負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，備用CPU系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)；當(dāng)主控CPU系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備用CPU通過兩者間的通訊模塊接收到故障信號(hào)后能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動(dòng)實(shí)時(shí)同步切換，保證皮帶運(yùn)輸機(jī)及其控制系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。兩臺(tái)主、備PLC通過CP343－1通訊模塊連接至以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，同時(shí)通過MPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主、備CPU數(shù)據(jù)信息同步［5－7］。兩臺(tái)主、備PLC通過Profibus網(wǎng)絡(luò)與I／O分站模塊進(jìn)行通訊，I／O分站負(fù)責(zé)各類數(shù)字及模擬量信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)及控制指令的實(shí)時(shí)交互。
2硬件方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件主要包括PLC主控模塊、參數(shù)檢測(cè)模塊及模糊控制器的選型設(shè)計(jì)，為了保證系統(tǒng)的控制效果及運(yùn)行可靠性，上述主要功能模塊的硬件性能及設(shè)計(jì)合理性至關(guān)重要
2.1PLC主控模塊選型設(shè)計(jì)
PLC主控模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括CPU模塊、I／O分站、通訊模塊及電源模塊等重要組成模塊的選型［8］。本文綜合系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求及經(jīng)濟(jì)性考量，選用S7－300型PLC作為系統(tǒng)的主控核心，其CPU選為315－2DP，其CPU處理速度較快，位運(yùn)算最小值可達(dá)0.05μs，浮點(diǎn)運(yùn)算最小值可達(dá)0.09μs，同時(shí)具備豐富的數(shù)字量及模擬量輸入輸出接口、高速計(jì)數(shù)器、PWM輸出接口及可支持通訊協(xié)議。通訊模塊選用CP343－1，可將PLC連接至工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)還可作為ProfinetI／O設(shè)備。電源模塊選用PS307，5A，其輸入為AC120／230V，輸出為DC24V／5A，可滿足主控器的供電需求。I／O分站模塊選用ET200M，采用雙IM153接口，可用于與ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)總線的鏈接，最多可擴(kuò)展8個(gè)I／O模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率最大為12Mb／s。
2.2模糊控制器設(shè)計(jì)
為了進(jìn)一步提高皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度及抗干擾性，本文采用模糊控制算法對(duì)系統(tǒng)的控制信號(hào)進(jìn)行精確度提升，模糊控制系統(tǒng)原理如圖3所示。模糊控制器的工作過程主要由四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，首先系統(tǒng)將皮帶機(jī)額定轉(zhuǎn)速設(shè)為輸入值r（t），然后與帶速傳感器所采集的系統(tǒng)輸出值y（t）進(jìn)行比較并輸出二者偏差量e及偏差率ec。e與ec作為模糊控制器的輸入量經(jīng)模糊化后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)模糊量，以知識(shí)庫所建立的模糊控制規(guī)則通過查表的方式對(duì)模糊量進(jìn)行推理計(jì)算，所得到的相應(yīng)模糊控制量經(jīng)去模糊化后即可輸出變頻器可接收的精確控制量，進(jìn)一步對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。2.3參數(shù)檢測(cè)模塊選型設(shè)計(jì)參數(shù)檢測(cè)模塊的硬件主要包括帶速傳感器、皮帶秤及電參數(shù)采集模塊三部分，用于實(shí)時(shí)采集皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度、運(yùn)煤量及電機(jī)功率、電壓電流等重要系統(tǒng)參數(shù)。皮帶秤選用YB－GZK－NT型高精度電子皮帶秤，其測(cè)重范圍為1t／h～5000t／h，測(cè)量精度可長(zhǎng)期穩(wěn)定維持在±0.2％，同時(shí)具備自動(dòng)校驗(yàn)修正功能。帶速傳感器選用礦用GSC4型，其測(cè)量精度可長(zhǎng)期維持在±0.1％，測(cè)量靈敏度可達(dá)1％，滿足對(duì)帶速的測(cè)量精度需求。電參數(shù)采集模塊選用EDA9033A型功率采集器，其相電壓及電流量程分別設(shè)置為10V～500V及1A～1000A，可對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中的電機(jī)及變頻器的功率、電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。
3軟件方案設(shè)計(jì)
皮帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分主要包括PLC主控程序及模糊控制程序兩部分。當(dāng)PLC主程序運(yùn)行時(shí)，首先通過上位機(jī)發(fā)出開車信號(hào)，并啟動(dòng)綜合保護(hù)程序，通過綜保模塊對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行檢查。確保無故障后皮帶運(yùn)輸機(jī)正常啟動(dòng)，并執(zhí)行參數(shù)測(cè)控子程序?qū)ζC(jī)進(jìn)行帶速、煤流量實(shí)時(shí)采集，上位機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分析處理后向PLC主控器發(fā)送控制指令，最終由PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行相應(yīng)啟停、調(diào)速、報(bào)警等控制，PLC主控程序流程如圖4所示。模糊控制程序流程如圖5所示。系統(tǒng)首先通過初始化將控制決策表、量化及比例因子置入PLC主控器中，隨后對(duì)初始帶速進(jìn)行設(shè)定，通過帶速傳感器所采集的實(shí)際帶速與初始帶速比較計(jì)算得到輸入偏差量e及偏差率ec，當(dāng)e與ec超限時(shí)，對(duì)二者進(jìn)行量化后進(jìn)行模糊推理，通過查詢規(guī)則表的方式對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行速度根據(jù)煤流量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并維持皮帶機(jī)電機(jī)的功率平衡，維持皮帶運(yùn)輸機(jī)的最佳節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。
4結(jié)束語
本文通過硬件方案設(shè)計(jì)選型及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)礦用皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用主控模塊雙CPU熱備冗余結(jié)構(gòu)及模糊控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，通過雙CPU冗余結(jié)構(gòu)有效提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，通過對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸機(jī)的帶速自適應(yīng)調(diào)節(jié)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)及故障超限報(bào)警等功能。
作者：耿杰龍 單位：西山煤電 官地礦
