礦井鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

覃光志+張寧+蔣偉+袁興+朱云霞+聞平

摘 要：該文針對(duì)鋼纜皮帶主運(yùn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合近幾年流行起來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了一套基于以太網(wǎng)的鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了效率最優(yōu)控制，并解決了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)控制效果的影響。由于鋼纜皮帶電控系統(tǒng)存在最佳負(fù)載，文中通過PLC計(jì)算其在不同速度下的最佳負(fù)載點(diǎn)，從而確定給煤機(jī)的速度，并通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)給煤機(jī)速度進(jìn)行控制。由于網(wǎng)絡(luò)中存在延時(shí)，筆者通過網(wǎng)絡(luò)化模糊控制器解決了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的給煤控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的效率最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：鋼纜皮帶 網(wǎng)絡(luò)控制 效率最優(yōu) 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

中圖分類號(hào)：TD634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0004-03

Abstract：In order to solve the problems of the transport system， this paper develops a network control system with Ethernet based on the industrial network technology. This paper also designs an efficiency optimization strategy for the system， and solves the problem of network-induced delay. The wire rope strap electrical control system has an optimal load point. According to the wire rope straps speed， this paper calculates the optimal load point with PLC， and calculates the speed of loading machines. It controls the speed of loading machines by network control system. Because this system has network-induced delay， this paper solutes this problem by network fuzzy control. This system realizes the quickly and nicety speed control， and realizes the efficiency optimization of the main transport system.

Key Words：Wire rope strap； Network control； Efficiency optimization； Network-induced delay

目前礦井鋼纜皮帶電控系統(tǒng)基本上是集中式數(shù)字控制系統(tǒng)，雖然其自身自動(dòng)化程度已經(jīng)較高，但一個(gè)礦井有數(shù)條安裝于井下不同水平的鋼纜皮帶組再加上轉(zhuǎn)載機(jī)和給煤機(jī)，相互鋼纜皮帶間無直接的聯(lián)、閉鎖關(guān)系，整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和運(yùn)輸效率較低。為了提高礦山自動(dòng)化水平，緊跟世界領(lǐng)先科技，完善和提高鋼纜皮帶組的自動(dòng)控制技術(shù)，達(dá)到減人提效，保證安全、可靠、高效運(yùn)行的目的，就必須將礦井鋼纜皮帶組和轉(zhuǎn)載機(jī)與給煤機(jī)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，最終通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、故障診斷、優(yōu)化以及測(cè)、控、管一體化的綜合自動(dòng)化功能。

該文所指的鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是對(duì)礦井主運(yùn)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制，用可編程控制器取得并分析處理數(shù)據(jù)的智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦主運(yùn)系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

1 礦井鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

礦用鋼纜皮帶網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成包含硬件和軟件兩部分：硬件主要包括3條全數(shù)字直流調(diào)速拖動(dòng)的鋼纜皮帶、1條固定速度的轉(zhuǎn)載皮帶、4臺(tái)變頻器給煤機(jī)、PLC控制柜、傳感器若干及集控室計(jì)算機(jī)等；軟件部分包括PLC控制軟件和上位機(jī)軟件。

圖1為主運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中-750、-326、地面三條皮帶為雙直流電機(jī)400 kW拖動(dòng)的鋼纜皮帶，均采用全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)為“上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控+下位多PLC冗余控制+微處理器全數(shù)字調(diào)節(jié)+可控硅整流供電+拖動(dòng)電機(jī)”的控制模式，單條鋼纜皮帶電控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度很高，其開車方式一般采用手動(dòng)。每個(gè)煤倉(cāng)配備一臺(tái)給煤機(jī)，給煤機(jī)是由一臺(tái)變頻器控制，調(diào)節(jié)其速度大小可以增加或減少給煤量，在保證皮帶不能堆煤的條件下控制皮帶負(fù)載大小。在-750和-326皮帶之間有一條轉(zhuǎn)載皮帶，其電機(jī)是普通的交流電機(jī)，速度是不可控的。

2 鋼纜皮帶效率最優(yōu)控制策略

礦井鋼纜皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)是一套很龐大而且復(fù)雜的系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)其效率最優(yōu)調(diào)度方案需要考慮皮帶速度、煤倉(cāng)煤量、給煤機(jī)速度、轉(zhuǎn)載機(jī)是否處于開機(jī)狀態(tài)、皮帶是否能堆煤等眾多因素。

在皮帶輸送煤炭的過程中，當(dāng)皮帶速度一定時(shí)，可以調(diào)節(jié)負(fù)載（即給煤機(jī)給煤量）來提高電控系統(tǒng)整體效率。所以要達(dá)到效率最優(yōu)控制，必須調(diào)節(jié)給煤機(jī)量，即調(diào)節(jié)給煤機(jī)速度以達(dá)到效率最優(yōu)。

2.1 -326皮帶、給煤機(jī)、地面皮帶控制規(guī)則

當(dāng)-326皮帶和地面皮帶運(yùn)行時(shí)，根據(jù)控制規(guī)則，逆煤流啟動(dòng)，所以先啟動(dòng)地面皮帶，當(dāng)皮帶速度大于1 M后啟動(dòng)-326皮帶，等皮帶速度穩(wěn)定后，通過上節(jié)公式計(jì)算皮帶最佳負(fù)載，然后通過最佳負(fù)載計(jì)算給煤機(jī)給煤量即給煤機(jī)速度，最后通過Profibus-DP總線對(duì)給煤機(jī)速度進(jìn)行控制（圖2）。

2.2 -750皮帶、給煤機(jī)控制規(guī)則

對(duì)于-750皮帶和給煤機(jī)的控制要相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)檫@條皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)有3個(gè)煤倉(cāng)，每個(gè)煤倉(cāng)煤量有多有少，我們必須根據(jù)煤倉(cāng)煤量來分配3條給煤機(jī)的給煤量，否則不但不能達(dá)到效率最優(yōu)，而且會(huì)使煤倉(cāng)運(yùn)輸不平衡，從而降低了運(yùn)輸效率。

首先判斷轉(zhuǎn)載機(jī)是否開啟，如果轉(zhuǎn)載機(jī)未開啟則皮帶與給煤機(jī)都不能開啟。如果轉(zhuǎn)載機(jī)已啟動(dòng)則啟動(dòng)-750皮帶，當(dāng)皮帶速度穩(wěn)定后計(jì)算皮帶最佳負(fù)載量。同時(shí)檢測(cè)各個(gè)煤倉(cāng)的煤量，算出各個(gè)煤倉(cāng)煤量所占比例，根據(jù)此比例合理分配給煤機(jī)速度。當(dāng)算出各個(gè)給煤機(jī)速度后，必須檢測(cè)此速度是否超出給煤機(jī)所能達(dá)到的最大速度，如果沒有超出則通過網(wǎng)絡(luò)給出給煤機(jī)速度，如果超出必須進(jìn)行速度重新分配，即把超出的速度分配給別的給煤機(jī)，最后再給出給煤機(jī)速度（圖3）。

3 鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，針對(duì)煤礦鋼纜皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)，使用高可靠性PLC控制系統(tǒng)，對(duì)鋼纜皮帶電控系統(tǒng)的效率進(jìn)行了很好的控制，并利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)給煤機(jī)給煤量進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題，利用模糊化控制策略對(duì)給煤機(jī)給煤量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

考慮皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的大滯后特性，直接用負(fù)載作為反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行控制時(shí)，由于皮帶負(fù)載的大滯后特性，使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度降低，而且容易使系統(tǒng)失穩(wěn)。結(jié)合煤礦生產(chǎn)對(duì)通拉煤量需求的特點(diǎn)及皮帶的運(yùn)行特性可得如下特點(diǎn)。

（1）皮帶負(fù)載的調(diào)節(jié)可以有一定的延時(shí)。

（2）皮帶負(fù)載I與給煤機(jī)單位時(shí)間的給煤量一次方近似成正比，即皮帶負(fù)載I與給煤機(jī)轉(zhuǎn)速n在一定時(shí)段內(nèi)可以取為正比關(guān)系。

根據(jù)以上的特點(diǎn)，該系統(tǒng)在給煤量的閉環(huán)控制中，采用給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋來進(jìn)行皮帶負(fù)載的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，既解決了系統(tǒng)的失穩(wěn)問題，又能達(dá)到較好的給煤量控制效果。

具體實(shí)現(xiàn)思路是：給定皮帶負(fù)載經(jīng)速度轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)后，輸出給定的速度信，由速度信和測(cè)量所得的速度信進(jìn)行比較后，得到速度偏差，送入網(wǎng)絡(luò)化模糊控制器進(jìn)行計(jì)算處理，調(diào)節(jié)器的輸出直接控制變頻器的輸出，為提高控制精度，加快系統(tǒng)的響應(yīng)能力，調(diào)節(jié)器采用參數(shù)智能修整的模糊調(diào)節(jié)控制策略，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的預(yù)測(cè)自動(dòng)調(diào)整比例因子和量化因子等控制參數(shù)。所得信號(hào)經(jīng)限幅后進(jìn)入變頻器環(huán)節(jié)，輸出相應(yīng)的速度，再經(jīng)給煤機(jī)環(huán)節(jié)，輸出相應(yīng)的給煤量。

當(dāng)皮帶速度一定時(shí)，可以通過調(diào)整給煤機(jī)來調(diào)整皮帶負(fù)載，從而使系統(tǒng)運(yùn)行在效率最高點(diǎn)，而非運(yùn)行在其他點(diǎn)，以使該系統(tǒng)的節(jié)能效果十分明顯（圖4）。

4 結(jié)語

該文所研究的鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是由3條全數(shù)字直流調(diào)速拖動(dòng)的鋼纜皮帶、一條固定速度的轉(zhuǎn)載皮帶、4臺(tái)給煤機(jī)、PLC控制柜、傳感器等組成的。在未實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制以前，整個(gè)系統(tǒng)是由人工控制的，相互之間的信息傳輸是靠人或井下電話完成的，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)不能構(gòu)成一個(gè)整體，相互之間的控制不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的效率低下，工人的工作任務(wù)繁重，系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障不能及時(shí)排除，運(yùn)煤量達(dá)不到要求。

為了解決上述問題，該文充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把整個(gè)系統(tǒng)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接起來組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，從而使煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)的安全信息、設(shè)備的工況信息和控制系統(tǒng)在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上傳輸，充分提高了礦井生產(chǎn)安全調(diào)度水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)與控制，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制，使給煤機(jī)的給煤量遵循最佳負(fù)載的要求，從而提高整個(gè)主運(yùn)系統(tǒng)的效率。

該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在調(diào)度集控室對(duì)鋼纜皮帶運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的狀況，一旦現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行有故障可以實(shí)時(shí)對(duì)事故進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各段皮帶實(shí)時(shí)、可靠、快速的運(yùn)行監(jiān)控效果。

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