基于PLC的礦井提升控制系統(tǒng)應(yīng)用

張建鋒

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引言

隨著國家對(duì)煤礦資源的大量開采，礦用提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備，在礦井中人員及物料和設(shè)備輸送等方面發(fā)揮著重要作用。同時(shí)也能將開采好的礦石和矸石運(yùn)輸?shù)降孛?，是礦井生產(chǎn)過程中極其重要的一部分，提高整套控制系統(tǒng)的綜合性能至關(guān)重要[1]。針對(duì)提升機(jī)作業(yè)調(diào)速問題，目前主要采用增加調(diào)節(jié)電阻方式進(jìn)行設(shè)備調(diào)速，存在調(diào)速范圍窄、調(diào)速精度低等問題，已無法滿足當(dāng)前提升機(jī)在礦井中的智能調(diào)速需求，不斷開展提升機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)方向。

為此，本文設(shè)計(jì)一種以PLC為控制核心的礦井提升系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)提升中的不足。該系統(tǒng)主要由PLC控制裝置、提升調(diào)速系統(tǒng)及安全監(jiān)測(cè)等部分構(gòu)成[2]。在詳細(xì)設(shè)計(jì)提升機(jī)控制系統(tǒng)需要的硬件部分基礎(chǔ)上，利用相關(guān)軟件編寫程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升運(yùn)輸機(jī)的有效控制。

1 礦用提升機(jī)調(diào)速機(jī)理分析

調(diào)速功能在提升機(jī)中應(yīng)用的較為廣泛，其調(diào)速的目的主要是通過對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的變化關(guān)系來是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，找到速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，由此所形成的變化曲線稱之為提升機(jī)速度變化圖，如圖1所示。圖中，t0為初始加速度階段，t1為主加速階段，t2為恒速階段，t3為主減速階段，t4為平穩(wěn)過渡階段，t5為制動(dòng)階段，θ為停車階段。當(dāng)前，整個(gè)提升機(jī)的調(diào)速過程主要按照此變化規(guī)律來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而速度的變化則主要通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算公式為：

圖1 提升機(jī)速度變化

式中：f為供電頻率；n為轉(zhuǎn)速；p為磁極數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

提升機(jī)控制系統(tǒng)中的核心是PLC和變頻器[4]，PLC選用的是西門子公司的S7－300，CPU模塊將收集的信息進(jìn)行計(jì)算、判斷及處理，并向執(zhí)行單元發(fā)出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)和模擬量信號(hào)控制指令，同時(shí)，該控制器中的通信模塊具有遠(yuǎn)程通信的作用，能滿足提升機(jī)遠(yuǎn)程操控的需求。S7－300控制器中配備了多個(gè)開關(guān)量輸入和輸出接口，數(shù)據(jù)之間通過RS485進(jìn)行信號(hào)傳輸通訊，內(nèi)部的JD－BP37/38系列變頻器則采用了BUS協(xié)議，可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)輸出功率及運(yùn)行速度的控制，控制器的實(shí)物如圖2所示。

圖2 S7－300控制器實(shí)物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 安全保護(hù)模塊

由于提升機(jī)在作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)超速、彈簧疲勞、變頻器故障等問題，為提高提升機(jī)作業(yè)過程中的安全性，在整個(gè)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了安全保護(hù)模塊。該保護(hù)模塊首先將對(duì)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷檢測(cè)，針對(duì)出現(xiàn)的不同故障問題及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警提示和故障發(fā)生位置，并在顯示面板中進(jìn)行了故障實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)切斷相應(yīng)的電源系統(tǒng)，人員只需通過提示的故障進(jìn)行故障檢修及排除。以此達(dá)到智能保護(hù)提升機(jī)作業(yè)安全的目的。該模塊控制流程如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波形

圖3 安全模塊控制流程

3.2 模擬量模塊設(shè)計(jì)

各類傳感器會(huì)將采集相關(guān)信息及時(shí)傳輸出來。因而，在CPU接收信號(hào)之前，需經(jīng)過專門的模擬量接收模塊進(jìn)行信號(hào)接收，并將接收的信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，發(fā)送至CPU處理器中。CPU處理器在進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算及處理時(shí)，若發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)超過設(shè)定閥值，在會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，若參數(shù)正常則進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。模擬量模塊的控制流程如圖4所示。

圖4 模擬量模塊設(shè)計(jì)流程

3.3 上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)、直觀地掌握提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)及故障情況，采用了MCGS組態(tài)軟件對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)的上機(jī)位顯示界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過顯示界面，可對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及控制，是人員掌握設(shè)備狀態(tài)的重要窗口。在顯示界面中，能將提升機(jī)的作業(yè)功率、運(yùn)行速度、故障類型、作業(yè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，人員可通過顯示界面中的按鈕進(jìn)行狀態(tài)查詢，整體智能化程度相對(duì)較高。

4 模糊自適應(yīng)整定PID在提升機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)用

4.1 模糊控制原理

模糊控制是一種新型的控制方式，主要將成熟經(jīng)驗(yàn)及專家知識(shí)等通過收集、整理后形成一種模糊化的控制信號(hào)，相應(yīng)執(zhí)行器在接收到此信號(hào)后，經(jīng)過內(nèi)部的模糊推理和計(jì)算，執(zhí)行相關(guān)模糊化控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)節(jié)的智能化閉環(huán)控制[4]。而整定PID則主要是利用此控制原理進(jìn)行控制操作。

4.2 模糊自適應(yīng)整定PID

PID控制在工業(yè)控制中應(yīng)用的較為普遍，主要通過內(nèi)部的微分、積分、比例等方式進(jìn)行不同功能的調(diào)節(jié)，其中，通過比例調(diào)節(jié)來改變提升機(jī)的運(yùn)行速率，通過積分調(diào)節(jié)來消除速度變化誤差，通過微分調(diào)節(jié)來修正速度的變化趨勢(shì)，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)提升速度的有效控制[7]。結(jié)合提升機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，在此處PID控制中，選取了誤差和誤差變化率作為輸入控制量，通過控制器對(duì)其兩輸入量的信號(hào)收集及模糊化計(jì)算與判斷，使其轉(zhuǎn)為可識(shí)別的控制量，結(jié)合自身的模糊控制及誤差修正技術(shù)處理后，得到最佳的修正量參數(shù)，最后再與PID初始參數(shù)進(jìn)行比較，以此得到最新的PID參數(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

4.3 模糊自適應(yīng)整定PID實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)合S7－300PLC控制器中的程序編程軟件STEP 7，采用了離線控制方式，通過將控制語言制作成表格的形式，存儲(chǔ)在S7－300的存儲(chǔ)器中，工作的時(shí)候通過查表的方式找到PID參數(shù)，給到PID控制器中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

5 控制系統(tǒng)的應(yīng)用評(píng)價(jià)

在完成該控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步掌握該控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，將該系統(tǒng)在礦用提升機(jī)中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期約為5個(gè)月。在此期間，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，與原來的單片機(jī)或PID控制相比，提升機(jī)的控制精度及靈敏性均得到明顯提升，提升機(jī)在加速、恒速及制動(dòng)減速等環(huán)境的穩(wěn)定性也大大提升。在此測(cè)試期間，整套系統(tǒng)未出現(xiàn)故障異常現(xiàn)象，據(jù)人員統(tǒng)計(jì)，提升機(jī)因電氣故障產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間縮短了將近70%，在減少提升機(jī)維護(hù)成本基礎(chǔ)上，也降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)自動(dòng)化的穩(wěn)定運(yùn)行。由此驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)能更好地滿足提升機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

6 結(jié)束語

分析目前煤礦提升系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其存在消耗高、故障率高、控制不靈活的問題，影響提升的運(yùn)行穩(wěn)定及可靠性，不利于設(shè)備的高效運(yùn)行及井下作業(yè)安全。而不斷將當(dāng)前成熟的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到提升機(jī)的生產(chǎn)作業(yè)中，成為當(dāng)前重點(diǎn)任務(wù)。為此，完成了基于PLC控制器的提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件及軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大提升了提升機(jī)的控制精度及控制準(zhǔn)確性，在煤礦中運(yùn)用本系統(tǒng)，實(shí)踐證明本系統(tǒng)相較于模糊控制和PID控制單一控制，在性能上比較突出，能更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求。