基于模糊神經網絡的礦井膠帶機變頻調速系統設計

白小崗

（國家能源集團神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315）

中國現階段使用的絕大部分礦井的膠帶運輸機（簡稱礦井膠帶機）通常會采取工頻拖動的方式，對于變頻器驅動使用次數較少[1]。因為電動機長期處于工頻狀況下，再加上液力驅動耦合器的工作效率問題，這些都會造成礦井膠帶機在運行狀況下消耗的能源極其巨大，達不到經濟環保的目的；同時由于電動機沒有辦法采用軟啟軟停，就很容易在機械設備應用的時候產生劇烈撞擊，加快機械設備零件彼此之間的磨損；另外一方面，膠帶、液力耦合器的磨損以及日常維護等問題都會導致礦井企業加大經費投入?，F存的大功率、電子化的礦井膠帶機主要是以進口設備為主，可是進口礦井膠帶機的費用比較高昂，且其運行成本和日常維護所需要的代價也比較高[2]。因此，開發并使用具有可控變頻軟啟動/停止、可控變頻調速、液壓自動開啟/停止、智能集中控制功能的礦井應用狀態下可伸縮用膠帶傳輸機去替代進口儀器設備就顯得極其有必要了。

礦井膠帶機作為有色金屬生產中的重要設備，是確保礦產資源持續性產出、井下工作人員生命安全以及礦井下其他儀器設備穩定運營的關鍵環節，因而被稱之為“礦井肺臟器”，承擔著向井下運輸氧氣，淡化有害氣體的濃度（如二氧化氮、二氧化碳等），帶走過多煤塵廢物，保持空氣的流暢，最大限度地降低瓦斯爆炸事故的發生，改善礦井下工作人員的勞動環境。礦井膠帶機的具體運行程序一旦出現意外或突發情況，就會對井下工作人員的人身財產安全以及正常的礦井生產造成嚴重損失與重大威脅。通過對最近幾年國內重大礦井安全事故發生原因的分析，絕大多數是因為膠帶機設備故障、安全管理不到位等原因造成的。而變頻調速作為最近幾年新出現的一門高新技術，它主要是利用改變電源頻率取調節設備調動速度的原理驅動設備，因其具備了調速穩定、瞬態安全性較高、節能環保等特征而廣泛受到社會的重視。伴隨變頻調速技術的逐漸完善、發展，其在膠帶傳輸領域上也得到越來越廣泛的應用。如果使用變頻調速器來驅動礦井電動機，就具備了啟動轉矩大、運轉平穩、工作時機械特征表現硬度較高、啟動以及運行效率高等優點。

1 基于模糊神經網絡的礦井膠帶機變頻調速系統設計

1.1 電源接線設計

本系統需要220V交流電供電的儀器設備主要有PKC、巡檢設備1、巡檢設備2、巡檢設備3、工控器、大功率風扇以及照明燈；還需要28V直流電供電的設備PKC數字屏幕輸入儀、數字鍵盤輸出儀、模擬輸入與轉速設備。另外還使用了2個電壓轉換器，將220V交/直流電轉換為28V直/交流電。同時，還需要1個電阻溶斷器，這主要是起到一個保護作用。

1.2 系統主回路功率開關器件選型

考慮到最后實驗平臺主電路所需的電壓級別，功率器件的耐壓級別和過電級別等條件下，對選擇出來的功率器件組織要求較高，可是由于受到分布系數等因素的影響，在一定狀況下主電路中會產生較高的沖擊電波或沖擊電壓，所以其功率器件就不可以根據傳統功率原則去選型。在考慮實驗安全因數α=1.9，同時一般情況下會設置線路電流波動系數為1.9，過壓保護水平為 120%。實驗平臺主電路中交流側輸出電壓最大為1200V，那么其電壓規格的選擇如下：

式中，Vces——集電流—發射集最高反向電流；

Vcep ——緩沖電容器電阻最終值；

Vcesp ——緩沖電容器電流最終值；

Ed——耐壓；

Ud——交流電源輸入/輸出電流；

礦井膠帶機變頻調速模糊控制系統可以實現的最大功率為22kW，樣機系統設為5kW，所以在計算電流標準規格時，采取最終最大功率主要是根據系統標準功率去計算，換句話說逆變器容量P=24kW[3]。電流標準規格技術的應用也需要考慮到一定條件下的標準量，1.5為電流在 1分鐘內可以承受的承載量；1.4為電路最大允許流經電流的承載量，0.9為輸出/輸入電壓低于逆變交流側額定電壓百分之十的承載量。

1.3 變頻器與PLC接線

本系統采取的變頻器設備為西門子公司于2001年出廠的MM4201，MM4201型變頻器是西門子公司出廠的吹風機、泵類負荷狀態下專用的變頻器，具備電動機分層控制、手動/自動檔控制、水泵空芯組織檢測、旁路、節能控制等專用效能[4]。具備2個模擬輸入電路，其信號類型可以是0～+20V、0～+30mA或-10～+I0V，這個模擬輸入設備可以作為第9和第10個數字型號進行輸入；具有10個帶阻隔的數字輸入型號，并能夠隨時切換到NON/PLP接線；具備多個繼電器保護組織；具備4—10個0～+25mA的模擬信息輸出；電動機驅動信息數據組(DPS)、數據指令組以及設置值數字源(CDP)參數的設置值能夠進行互相轉換；具備多個可編程數碼頻率，5個可編程跳轉速頻[5]，具有集成RS401通信接端，可選擇的Profit bus-DL通信板塊。承載能力假設固定為160%額定電路電流的時候，其持續時間就延長為5s，在160%額定承載電流狀態下，其持續的時間可以維持在60s左右；具備過電路、欠電流保護、過熱保護、接地電流保護、故障保護、PYC/KOY發動機溫度保護[6]。變頻器與PYC的連接圖如下圖所示。

圖1 變頻器與PYC的連接圖

1.4 組態軟件PID控制器設計

組態軟件，即組態監控模擬軟件。英文簡稱DAAMC，即Data Acquisition And Monitoring Contro（l數據搜集與監控）[7]。組態（Configure）指的是系統配置、設定等意思，即用戶利用類似“塔積木”的簡單組建方式去實現系統所需要完成的軟件功能，而并不需要重新編寫程序代碼。換句話說，組態軟件著重對數據信息進行模擬采集并對其進行二次配置，進而實現對數據的監控與實施的專用軟件。因為組態軟件具備簡便的系統配置手段以及數據信息監控功能，所以己經在眾多領域獲得了極其廣泛的使用，比方說礦井、石油、有色金屬、化學化工等。

目前我國的組態軟件有PID、世紀星、四維力控、組態王、Web.Access以及易控等。每一種組態軟件既有自身的使用優勢，當然也存在一定程度的缺陷和不足，所以我們就需要按照工程實施項目的現實狀況去對組態軟件進行合理、科學、高效的選擇。本文系統應用中的組態軟件選擇的是上海昆侖泰和有限公司生產的PID8.2版本[8]。PID具備諸多優勢，比方說操作簡單、活學活用、功能發揮穩定、安全度較高等，所以，在礦井利用專業得到了比較廣泛的使用。PID利用與其他有關的一系列硬件設備相結合，能夠迅速、有效、簡便的開發出各項用于現實釆集、數據模擬和控制的儀器。模糊神經網絡是將模糊控制與神經網絡應用在一起的科學研究。換句話說，就是利用神經網絡的通用結構去實現礦井工作的模糊控制[9]。模糊控制主要根據數學定義的隸屬函數公式以及一系列并/串行的規律，通過邏輯推理思維順向去實現各種模糊信息的清晰化。神經網絡則是利用計算機網絡的自我學習、自我演繹、自我適應努力提高系統的操作精準度，縮小誤差值。

在礦井膠帶機變頻調速系統中，PID 控制器具備了傳遞性好、快速、穩定性高的優點，然而常規操作的PID 控制器的參數設定需要用到被控對象的精準模型，且設定出來的參數拒絕進行線上二次調改[10]。而模糊控制和神經網絡對此沒有任何要求，即不依賴被控對象的模型，且具備較強的自我組織與自學能力，延長了采集空間的擴展性。因而，本文提出將模糊控制、神經網絡引進PID控制器中?；谀：窠浘W絡的智能化PID 控制器原理框架圖如圖2 所示。

圖2 智能化PID 控制器原理框架圖

它是以實際瓦斯濃度和標準狀態下瓦斯濃度之間的誤差值以及誤差變動率作為輸入信息的，利用模糊神經網絡FNL 對PID 控制器的環境參數進行調整，從而得出相應變頻器的設置值去控制礦井膠帶機變頻調速的波動值。在該模糊神經網絡之中，先使用其方法優化隸屬函數的最大/最小值以及整體寬度，再利用BP 算法對模糊神經網絡的數據鏈接系數進行優化。此舉能夠大幅度提高系統的自我適應以及組織能力，強化系統的穩定性。

1.5 PCB 板的設計

基于模糊神經網絡的礦井膠帶機變頻調速系統軟件設計的原理圖后就可以進行 PCB 布線。設計PCB 時，需要從幾個方面考慮。首先，是PCB 布局。通常來說，軟基設計涉及到的電路板上會出現不同性質的電路，高頻/低頻電路、模擬電路、高壓電流/低壓電流電路，因而必須對此慎重對待，需要有效布局。其次，是PCB 布線。PCB 布線不僅僅需要考慮到電氣連用，還需要確保電波的系統兼容性。變頻調速系統主要是按照元器件特征采取以下原則進行整體布線的：布線時，務必確保同一數據信號電線回轉面積最小，可以最大限度地降低磁場的耦合性。一旦數據信號環路面積太大，除了會受到自身電磁波的輻射外，還會受到外部電路環境的磁波干擾。另外PCB 上還會出現多個信號環路，它們彼此之間又會進行二次干擾，導致強度增加。信號走線的時候，不可以太過靠近彼此，且拒絕平行架設，最好能夠做到垂直架設，努力降低重復電容的影響。電路布線時，需要減少鉆孔數，盡可能保證在同一層線路上，避免信號在重復過程中衰減、反射、變形。同時在其周圍架設比較大的地線面時，需要將其與別的高頻或低頻電壓電路進行阻隔。這是由于電路中電力是強力干擾源，容易對其他數字信號造成信號干擾。PCB 板上不可以出現大面積的冗余，冗余的面積需要著重進行網式敷銅，敷銅電網確保與地線無縫鏈接。敷銅電網能夠最大限度地降低地線的干擾，使其在傳輸過程中提高電源和信號的穩定性，尤其是能夠大大減少高頻/低頻信號的電磁干擾，起到保護作用。

圖3 實驗效果對比如圖

2 實驗與效果分析

為了更加清楚、具體的看出此系統轉速效果，特與傳統礦井膠帶機變頻調速系統進行對比，對其轉速進行比較。

2.1 實驗準備

為保證試驗的精確度，將兩個系統設計置于相同的試驗參數之中，進行磨損能力的試驗。試驗參數見下表。

表1 取樣分析圖譜信息

2.2 實驗結果分析

試驗過程中，通過兩種不同的系統設計同時工作在相同環境參數設置中，以ARM為系統控制芯片，組建礦井膠帶機變頻調速系統的實驗平臺，利用實驗去檢驗9.0Hz 至11Hz相互轉換的過渡過程，使其從9.0Hz頻率下啟動，運轉15s以后，將變頻器的輸入頻率轉變為10Hz，在10Hz的工作狀態下繼續運行 10s以后,再將頻率轉變為9.0Hz。實驗得到的膠帶機轉速波形圖如下圖 所示，實驗結果中頻率轉換過程較為平滑，膠帶機轉速變化迅速精準。為了進一步驗證系統的準確性，在任意給定機構頻率下，通過實驗進行礦井膠帶機的變頻調速。其實驗波形再次驗證了該系統能夠控制變頻器輸入頻率的隨意變化，與傳統礦井膠帶機相比，本文設計的膠帶機不管是連續升速還是連續降速，其轉速變化都十分精準、平滑、穩定。實驗效果如圖3所示。

3 結語

本文對基于模糊神經網絡的礦井膠帶機變頻調速系統設計進行分析，依托礦井膠帶機的運轉缺陷，根據模糊神經網絡與變頻調速的結合機制，對系統進行調整，實現本文設計。實驗論證表明，本文設計的方法具備極高的有效性。希望本文的研究能夠為基于模糊神經網絡的礦井膠帶機變頻調速系統設計提供方法論。