基于模糊控制算法調(diào)速的煤礦皮帶集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李東

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司，山東 菏澤 274700）

0 引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，會(huì)直接影響礦井生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益。皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行期間，物料會(huì)影響運(yùn)行速度，存在滯后性、非線性特點(diǎn)，因此采用傳統(tǒng)調(diào)速控制法，無法科學(xué)控制運(yùn)行[1]。所以，確保皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行安全性，可以保障礦井正常運(yùn)行?；谀：惴?，優(yōu)化設(shè)計(jì)皮帶集控系統(tǒng)，合理應(yīng)用PLC控制器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、采集、監(jiān)管一體化。通過模糊控制，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，在復(fù)雜對(duì)象中得以廣泛應(yīng)用，無需建立數(shù)學(xué)模型，就可以獲得顯著控制效果，科學(xué)調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)輸機(jī)速率，確保運(yùn)行速度理想化。本文主要圍繞煤礦皮帶集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開討論，充分應(yīng)用模糊控制算法，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果。

1 皮帶運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)組成

皮帶運(yùn)輸機(jī)集控系統(tǒng)，可以集中化監(jiān)控、控制皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中，尤其是運(yùn)輸廢矸石、煤礦開采的參數(shù)信息，可以高度集成故障監(jiān)控、實(shí)時(shí)通訊、煤炭運(yùn)輸?shù)裙δ?，確保皮帶運(yùn)輸機(jī)無人值守狀態(tài)。PLC系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，與煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)合起來，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化、集中化控制，以此確保井下各層通訊的可靠性與穩(wěn)定性。該系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)程序運(yùn)行、調(diào)度、執(zhí)行進(jìn)行優(yōu)化，全面提升數(shù)據(jù)采集效率、傳輸效率[2]。在優(yōu)化設(shè)計(jì)皮帶運(yùn)輸機(jī)集控系統(tǒng)時(shí)，深入分析礦井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)聯(lián)合具體應(yīng)用要求，通過先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，聯(lián)合高成熟度、高穩(wěn)定性的集控方式，注重系統(tǒng)方案規(guī)劃設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用工業(yè)控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化技術(shù)，全面維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)營效果。對(duì)于皮帶斷裂、堆煤、跑偏故障，采用多種傳感器設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)信息予以采集，向PLC控制器發(fā)送結(jié)果。注重?cái)?shù)據(jù)結(jié)算科學(xué)性，處理動(dòng)作正確性。整個(gè)控制過程，均能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守效果。通過以太網(wǎng)，使PLC控制器將實(shí)況展示出來，主要通過組態(tài)軟件，以表格、圖像方式展示，為管理人員查閱、管理提供便利性。此外，管理人員利用組態(tài)軟件，可以將動(dòng)作命令下發(fā)至PLC控制器，遠(yuǎn)程控制設(shè)備運(yùn)行[3]。

2 皮帶集控系統(tǒng)保護(hù)

2.1 急停保護(hù)

應(yīng)用皮帶運(yùn)輸機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。在不同位置、地點(diǎn)，都會(huì)發(fā)生故障隱患。當(dāng)產(chǎn)生故障問題時(shí)，必須停止皮帶機(jī)運(yùn)行。為了處理好該類問題，需要將串聯(lián)式觸點(diǎn)開關(guān)，安裝在皮帶支架上。一旦發(fā)生故障問題，任意地點(diǎn)可以開啟暫停開關(guān)，以免影響系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 跑偏保護(hù)

皮帶運(yùn)輸期間，常常會(huì)面臨皮帶跑偏故障。皮帶縱向軸線，與運(yùn)輸機(jī)中心線相脫離，就會(huì)產(chǎn)生跑偏問題。當(dāng)發(fā)生該類故障時(shí)，將會(huì)加劇設(shè)備磨損，還會(huì)縮短皮帶使用壽命。跑偏保護(hù)利用行程開關(guān)，加大監(jiān)控、管理科學(xué)度。如果出現(xiàn)跑偏故障，能夠發(fā)出警報(bào)、停車信號(hào)。

2.3 皮帶撕裂保護(hù)

皮帶運(yùn)輸煤炭時(shí)，極易產(chǎn)生斷裂、撕裂等故障，若沒有及時(shí)處理，將會(huì)加劇人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失比較大。操作處理期間，在皮帶下方安裝觸感器。當(dāng)皮帶撕裂時(shí)，下落物料觸發(fā)傳感器，同時(shí)發(fā)出停車信號(hào)[4]。

2.4 堆煤保護(hù)

對(duì)于皮帶機(jī)頭、機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)位置，由于出煤量較多，極易產(chǎn)生堆煤?jiǎn)栴}，相應(yīng)增加滾筒電機(jī)負(fù)荷，從而出現(xiàn)皮帶打滑、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、皮帶跑偏等問題。選擇位置傳感器，安裝在皮帶機(jī)頭、機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)位置。如果出現(xiàn)明顯堆煤情況，將會(huì)導(dǎo)致位置開關(guān)被觸發(fā)，極易發(fā)出停車信號(hào)。

3 基于模糊算法調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊控制算法，是一種非線性技術(shù)，能夠?qū)θ祟愃季S進(jìn)行模仿，控制算法智能水平高。對(duì)于被控對(duì)象，無需建設(shè)數(shù)學(xué)模型，主要是按照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)予以控制，具備較強(qiáng)的適應(yīng)性、魯棒性，在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，尤其應(yīng)用到滯后性、非線性系統(tǒng)控制中。操作控制期間，將精確量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏?，由控制?guī)則、數(shù)據(jù)庫組成知識(shí)庫。在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，涉及到變換因子、隸屬函數(shù)。控制規(guī)則，有助于搭建模糊語言規(guī)則，主要為生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。在應(yīng)用模糊控制算法時(shí)，需要發(fā)揮出模糊化接口作用。通過模糊化接口，能夠?qū)⒕_量轉(zhuǎn)變?yōu)槟：?，處理輸入量，使其滿足模糊控制器要求。做好尺度變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗾撚蚍秶鷥?nèi)，之后進(jìn)行模糊化處理。在知識(shí)庫內(nèi)，包含知識(shí)與要求控制目標(biāo)，涉及到數(shù)據(jù)庫、模糊控制規(guī)則庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)，涉及到不同語言變量、隸屬度函數(shù)。規(guī)則庫包含數(shù)據(jù)庫、模糊語言控制規(guī)則庫。在模糊控制系統(tǒng)中，推理機(jī)屬于重要核心。在獲取模糊控制信息時(shí)，需要利用模糊邏輯獲取，按照模糊輸入與控制規(guī)則，對(duì)模糊關(guān)系方程進(jìn)行求解。同時(shí)注重應(yīng)用模糊判決接口，其可以將模糊推理控制量，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際控制對(duì)象，能夠滿足應(yīng)用的清晰量。在控制器體系中，模糊推理屬于重要核心。根據(jù)控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。清晰化特征，為模糊化逆性運(yùn)算，能夠使模糊值轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏縖5]。

3.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

第一，通過速度傳感器，采集皮帶速度值，傳輸至PLC控制器，比較與設(shè)定速度值，獲得速度差值、差值變化率。針對(duì)速度差值、差值變化率，實(shí)行模糊運(yùn)算，獲取模糊控制變量，同時(shí)將結(jié)果存儲(chǔ)至控制器內(nèi)。注重模糊控制表查詢，可以獲得實(shí)際輸出量。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，獲取控制變頻器模擬量，利用變頻器，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，確保調(diào)速過程準(zhǔn)確性。

第二，明確輸入量、論域：在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用兩輸入、一輸出控制器，可以實(shí)現(xiàn)模擬控制。將差值、差值變化率作為輸入，將實(shí)際輸出量作為輸出量，基本論域區(qū)間設(shè)定為[-E，E]，[-C，C]，[-U，U]，通常應(yīng)用誤差、誤差變化率、控制量，且上述論域值均大于5。如果論域值越大，那么系統(tǒng)精度就越高；如果計(jì)算量越大，那么系統(tǒng)越復(fù)雜。

第三，模糊分割：將3個(gè)空間，劃分為5個(gè)不同子區(qū)，設(shè)置NS負(fù)小、NB負(fù)大、ZE零、PB正大、PS正小，則輸入量、輸出量模糊子集為{NB，NS，ZE，PS，PB}。通過描述方法，確保隸屬度描述準(zhǔn)確度。合理應(yīng)用三角形隸屬度函數(shù)，確保誤差值隸屬函數(shù)圖，如下圖所示。利用隸屬函數(shù)圖，可以獲得差值、差值變化率、實(shí)際輸出量隸屬度，如表1所示：

圖1 隸屬函數(shù)圖

表1 隸屬度

第四，控制規(guī)則：現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員按照專業(yè)知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)積累，確保模糊控制規(guī)則設(shè)置合理性。如果誤差明顯時(shí)，則必須消除誤差；如果誤差較小，必須提升系統(tǒng)穩(wěn)定性?？刂埔?guī)則語句，可以通過以下格式描述：

1.if e=NB and ec=NB then=PB；

2.if e=NB and ec=NS then=PS；

3.if e=NB and ec=ZE then=PS。

第五，模糊推理、清晰化：對(duì)1.if e=NB and ec=NB then=PB，對(duì)模糊關(guān)系進(jìn)行求解。按照表1數(shù)據(jù)可知，其隸屬函數(shù)如下：

（NB）e=（1 0.75 0.25 000000000）

（BN）ec=（1 0.75 0.25 000000000）

（PB）m=（0000000000 0.25 0.75 1）

3.2 調(diào)速仿真

合理控制皮帶轉(zhuǎn)速，為每分鐘740r；設(shè)定控制量初始值，即26537，在2s時(shí)間點(diǎn)，給予模糊控制、PID控制、一次負(fù)載干擾，獲取仿真圖（圖2）。合理調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行速度，可以獲得顯著模糊控制效果，明顯優(yōu)于PID控制效果。

圖2 調(diào)速仿真圖

4 結(jié)語

綜上所述，選用PLC控制器，將其作為集控系統(tǒng)核心。通過多種傳感器，可以密切監(jiān)控皮帶運(yùn)輸故障問題，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過模糊控制算法，調(diào)節(jié)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度，效果顯著高于傳統(tǒng)調(diào)控方法。當(dāng)發(fā)生突發(fā)性事件時(shí)，模糊控制算法可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)調(diào)速，確保皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行效果。通過本文研究分析，驗(yàn)證了模糊控制算法的應(yīng)用價(jià)值，提升皮帶集控系統(tǒng)運(yùn)行效益。