基于模糊算法的煤礦皮帶PLC控制系統設計

陶紅

摘 要 針對礦井運輸系統運輸量大、運行線路長、巷道狹窄、環境惡劣、線路復雜等特點，本文設計了基于模糊算法的煤礦皮帶PLC控制系統，該系統采用可編程邏輯控制器PLC，實現數據檢測、采集、監控及控制功能。利用模糊控制簡化系統動態，適用于更加復雜的被控對象，而且不需要被控對象的數學模型即可實現較好的控制，實現對皮帶機速率的調節，達到理想運載速度。

關鍵詞 煤礦 皮帶 模糊控制 PLC

一、緒論

中國作為第一大產煤國，通常以帶式輸送機的皮帶運輸系統作為主要運輸工具，實現了煤礦井上和井下的統一運輸。皮帶運輸系統已經成為煤礦生產的重要一環，特點為結構簡單、易于實現、運輸量大，同時具有較高的安全性能，這種成熟的運輸系統大大提高了煤炭產業的生產效率和經濟效益。

我國礦井深度普遍在500米，大型礦井深度已經達到1000多米，礦井深度的加深，直接導致了礦井運輸系統線路過長、轉載環節過多、崗位過多、環境惡劣等問題，這些問題將直接影響運輸系統的穩定及安全性，并且關系著礦井工作人員的人身安全以及企業效益。本文綜合應用計算機技術、傳感網技術、網絡通信技術、工業自動化技術與控制理論，設計了針對皮帶運輸系統的PLC控制系統。

二、皮帶控制系統組成

皮帶運輸集控系統通過對皮帶運輸煤礦的生產過程及廢矸石在運輸過程中的運輸狀況、環境參數、設備信息等參數實行集中監視和控制，集成了煤炭運輸、實時通訊、故障監控、設備保護功能，最終實現皮帶運輸的無人值守。PLC控制系統可以獨立地運行，也可以接入煤礦自動化綜合系統實現統一控制。為實現井下各層之間穩定、可靠的通信，本系統將檢測和監控統一結合，優化了程序的運行、執行和調度，提高數據采集和傳輸效率。針對太平煤礦皮帶集控系統的設計，綜合考慮礦井現場環境并結合實際需求，采用先進的技術和設備，并配合現有成熟穩定的集控思路，完成系統方案的設計與規劃。以下是系統設計的基本要求：

第一，穩定性。確保檢測和監控連續不間斷，可靠且穩定地運行，保障工業生產安全進行。

第二，先進性。整個系統保持一定的先進性，采用領先的設備和技術，保證系統的高效穩定運行，符合當前技術和管理方向。

第三，可擴展性。系統當前設計具有一定前瞻性，還保留系統的可擴展性，能夠適應不斷增加的擴展需求。

第四，實時性。保證系統能夠及時處理皮帶傳輸系統、傳感系統產生的數據，保證數據的時效性，保障安全生產。

三、控制系統設計

（一）PLC控制系統設計

相比于其他PLC，SIEMENS公司生產的S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7-300具有較強的控制功能和運算能力，成本適中，它不僅能完成一般的邏輯運算，也能完成比較復雜的三角函數、指數和PID運算。它采用模塊化結構且速度快，輸入輸出模塊的數量與種類比較多，而且具備軟冗余和硬冗余功能，模塊支持熱插拔，使得整個系統性能可靠，維護方便，具有較強的控制功能和運算能力，性價比高。考慮到煤礦運輸區較為惡劣的環境以及對礦用設備控制的復雜性與安全性，所以，本系統采用SIEMENS 公司的S7-300系列的高端工業 PLC 作為控制處理器，采用主分站的分布模式，利用工業以太網實現主分站之間數據的高速穩定的實時交換。S7-300 采用模塊化結構，主要部分由 CPU 模塊、電源模塊、擴展模塊以及必要的通信模塊組成，根據具體需求，本系統在主站主要安放了PLC的CPU 模塊與電源模塊。

（二）模糊算法設計

模糊控制器作為本系統控制的核心，設計的優劣直接影響到最終控制效果的好壞。在煤礦運輸實際操作中，皮帶運輸機的啟動與運行速度會受到運載煤料的影響，速度變化會具有非線性、時變性、滯后性等特性，建立數學模型會相對困難。模糊控制適用于非線性控制，尤其是對復雜多變的被控對象，不用為其系統建模，就可以對皮帶機進行調速穩速，達到理想的運載速度。

本系統通過速度傳感器獲取皮帶的帶速V，并把值傳遞給控制器，然后，控制器把系統設定的帶速V0與V進行比較，獲得速度誤差值e和誤差變化率ec，控制器將e和ec進行模糊推理與計算后得出模糊控制變量ux，可得到相應的模糊控制查詢表并存儲在PLC內部。再找出對應的模糊控制實際輸出量u，u與V對應的控制輸出量uv進行疊加運算就得到實際的控制量u。利用D/A轉換模塊把數字量轉換為控制電流以控制變頻器的供電頻率f1，調節電機轉速，最終實現皮帶的調速穩速。在這個過程中，查表是為了減少在線計算量，提高運行效率，將該模糊控制表置于 PLC，供實時控制時使用。

由仿真結果可以看出，相比于PID控制，模糊控制在電機啟動時超調量更小，調節時間更短，響應速度更快；而當有負載擾動的情況下，只需要 0.20秒就能快速地回到設定的穩定值，PID控制則需要0.33秒左右。也就是說，模糊控制調速的效果比PID的控制效果更優。

四、結語

煤料的運載會對皮帶運輸機的啟動與運行速度造成影響，速度變化會有非線性、時變性、滯后性的特性，建立數學模型困難。本系統通過模糊控制，并采用SIEMENS公司S7-300系列的高端工業PLC作為控制處理器，使用主分站的分布模式與工業以太網的數據實時交換，實現了煤礦皮帶速度的實時、穩定、高效控制。

（作者單位為鄂爾多斯市華興能源有限責任公司唐家會礦）

參考文獻

[1] 王曉秋.礦用膠帶機保護系統設計[J].科技與企業，2011（10）：148.

[2] 馬馭.基于PROFIBUS網的皮帶機集控系統的研究[D].安徽理工大學，2012.