礦用皮帶運輸機自動控制系統(tǒng)設(shè)計

耿杰龍

(西山煤電 官地礦，山西 太原 030022)

0 引言

煤炭轉(zhuǎn)運是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中十分重要的一環(huán)，由于井下輸送線較長，且地形較為復(fù)雜，煤礦普遍采用輸送距離長、運煤量大、結(jié)構(gòu)簡單可靠的皮帶運輸機完成煤炭輸送作業(yè)，因此，皮帶運輸機的高效可靠運行是提高煤礦產(chǎn)量、降低運輸成本的保障。目前大部分礦用皮帶運輸機卻采用變頻控制方式，即通過大功率高壓變頻器實現(xiàn)皮帶機的軟啟動，但該控制方式無法根據(jù)運輸量對皮帶運輸機轉(zhuǎn)速進行實時動態(tài)調(diào)節(jié)。當皮帶運輸機在某一時段處于空載、輕載或重載狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)速均維持在設(shè)定值，造成電能損耗嚴重、傳動機構(gòu)磨損加劇等問題。

針對上述問題，最有效的解決辦法就是通過更加有效的控制策略對皮帶運輸機的運行過程進行自適應(yīng)控制，使控制系統(tǒng)具備隨當前煤量實時調(diào)節(jié)驅(qū)動滾筒電機功率的功能，從而達到皮帶運輸機帶速連續(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)備對煤流量及帶速進行實時監(jiān)測，由PLC根據(jù)上述參數(shù)對變頻器輸出進行實時調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)皮帶機的變頻調(diào)速[1]。在此基礎(chǔ)上，本文通過對模糊控制器的設(shè)計進一步提高系統(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 皮帶機自動控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文采用模塊化架構(gòu)對整個控制系統(tǒng)進行設(shè)計，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)控上位機模塊、PLC主控模塊、監(jiān)測保護模塊、參數(shù)檢測模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊及通訊模塊，皮帶機自動控制系統(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，其主要功能是對監(jiān)測保護模塊及參數(shù)檢測模塊中各傳感器所采集的皮帶運輸機重要運行參數(shù)進行收集并實時上傳至監(jiān)控上位機中，同時接收來自上位機的控制及報警等指令并控制執(zhí)行機構(gòu)模塊實現(xiàn)相應(yīng)調(diào)速控制等操作。為了進一步提高系統(tǒng)的運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，實現(xiàn)一主一備雙CPU運行，PLC主控模塊雙CPU熱備冗余控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 皮帶機自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 雙CPU熱備冗余PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當系統(tǒng)正常運行時，主控系統(tǒng)CPU負責對整個系統(tǒng)進行控制，備用CPU系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)；當主控CPU系統(tǒng)發(fā)生故障時，備用CPU通過兩者間的通訊模塊接收到故障信號后能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動實時同步切換，保證皮帶運輸機及其控制系統(tǒng)繼續(xù)運行。兩臺主、備PLC通過CP343-1通訊模塊連接至以太網(wǎng)與上位機進行通訊，同時通過MPI網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主、備CPU數(shù)據(jù)信息同步[5-7]。兩臺主、備PLC通過Profibus網(wǎng)絡(luò)與I/O分站模塊進行通訊，I/O分站負責各類數(shù)字及模擬量信號的傳輸，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)及控制指令的實時交互。

2 硬件方案設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要包括PLC主控模塊、參數(shù)檢測模塊及模糊控制器的選型設(shè)計，為了保證系統(tǒng)的控制效果及運行可靠性，上述主要功能模塊的硬件性能及設(shè)計合理性至關(guān)重要。

2.1 PLC主控模塊選型設(shè)計

PLC主控模塊設(shè)計內(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)對控制精度的要求及經(jīng)濟性考量，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，位運算最小值可達0.05 μs，浮點運算最小值可達0.09 μs，同時具備豐富的數(shù)字量及模擬量輸入輸出接口、高速計數(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)，同時還可作為Profinet I/O設(shè)備。電源模塊選用PS 307,5 A，其輸入為AC 120/230 V，輸出為DC 24 V/5 A，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Profibus DP現(xiàn)場總線的鏈接，最多可擴展8個I/O模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率最大為12 Mb/s。

2.2 模糊控制器設(shè)計

為了進一步提高皮帶機控制系統(tǒng)的控制精度及抗干擾性，本文采用模糊控制算法對系統(tǒng)的控制信號進行精確度提升，模糊控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 皮帶運輸機模糊控制系統(tǒng)原理圖

模糊控制器的工作過程主要由四個環(huán)節(jié)構(gòu)成，首先系統(tǒng)將皮帶機額定轉(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，以知識庫所建立的模糊控制規(guī)則通過查表的方式對模糊量進行推理計算，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，進一步對電動機進行調(diào)速控制。

2.3 參數(shù)檢測模塊選型設(shè)計

參數(shù)檢測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，用于實時采集皮帶運輸機的運行速度、運煤量及電機功率、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，其測重范圍為1 t/h～5 000 t/h，測量精度可長期穩(wěn)定維持在±0.2%，同時具備自動校驗修正功能。帶速傳感器選用礦用GSC4型，其測量精度可長期維持在±0.1%，測量靈敏度可達1%，滿足對帶速的測量精度需求。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10 V～500 V及1 A～1 000 A，可對皮帶運輸機運行過程中的電機及變頻器的功率、電壓、電流進行實時采集。

3 軟件方案設(shè)計

皮帶運輸機自動控制系統(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PLC主程序運行時，首先通過上位機發(fā)出開車信號，并啟動綜合保護程序，通過綜保模塊對皮帶機運行環(huán)境進行檢查。確保無故障后皮帶運輸機正常啟動，并執(zhí)行參數(shù)測控子程序?qū)ζC進行帶速、煤流量實時采集，上位機控制系統(tǒng)對各參數(shù)進行分析處理后向PLC主控器發(fā)送控制指令，最終由PLC控制執(zhí)行機構(gòu)模塊進行相應(yīng)啟停、調(diào)速、報警等控制，PLC主控程序流程如圖4所示。

圖4 PLC主控程序流程圖

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，隨后對初始帶速進行設(shè)定，通過帶速傳感器所采集的實際帶速與初始帶速比較計算得到輸入偏差量e及偏差率ec，當e與ec超限時，對二者進行量化后進行模糊推理，通過查詢規(guī)則表的方式對皮帶機運行速度根據(jù)煤流量進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并維持皮帶機電機的功率平衡，維持皮帶運輸機的最佳節(jié)能運行狀態(tài)。

圖5 模糊控制程序流程圖

4 結(jié)束語

本文通過硬件方案設(shè)計選型及系統(tǒng)軟件設(shè)計在傳統(tǒng)礦用皮帶機控制系統(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)對其進行升級改造，通過雙CPU冗余結(jié)構(gòu)有效提高了系統(tǒng)的運行可靠性，通過對模糊控制器的設(shè)計進一步提高了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了皮帶運輸機的帶速自適應(yīng)調(diào)節(jié)、運行狀態(tài)參數(shù)實時采集監(jiān)測及故障超限報警等功能。