礦井鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究

覃光志+張寧+蔣偉+袁興+朱云霞+聞平

摘 要：該文針對鋼纜皮帶主運系統(tǒng)在實際應用中的現(xiàn)狀及存在的問題，結合近幾年流行起來的工業(yè)網(wǎng)絡技術，開發(fā)了一套基于以太網(wǎng)的鋼纜皮帶網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)進行了效率最優(yōu)控制，并解決了網(wǎng)絡延時對控制效果的影響。由于鋼纜皮帶電控系統(tǒng)存在最佳負載，文中通過PLC計算其在不同速度下的最佳負載點，從而確定給煤機的速度，并通過網(wǎng)絡控制系統(tǒng)對給煤機速度進行控制。由于網(wǎng)絡中存在延時，筆者通過網(wǎng)絡化模糊控制器解決了網(wǎng)絡延時問題，實現(xiàn)了快速、準確的給煤控制，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的效率最優(yōu)化。

關鍵詞：鋼纜皮帶 網(wǎng)絡控制 效率最優(yōu) 網(wǎng)絡延時

中圖分類號：TD634 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0004-03

Abstract：In order to solve the problems of the transport system， this paper develops a network control system with Ethernet based on the industrial network technology. This paper also designs an efficiency optimization strategy for the system， and solves the problem of network-induced delay. The wire rope strap electrical control system has an optimal load point. According to the wire rope straps speed， this paper calculates the optimal load point with PLC， and calculates the speed of loading machines. It controls the speed of loading machines by network control system. Because this system has network-induced delay， this paper solutes this problem by network fuzzy control. This system realizes the quickly and nicety speed control， and realizes the efficiency optimization of the main transport system.

Key Words：Wire rope strap； Network control； Efficiency optimization； Network-induced delay

目前礦井鋼纜皮帶電控系統(tǒng)基本上是集中式數(shù)字控制系統(tǒng)，雖然其自身自動化程度已經(jīng)較高，但一個礦井有數(shù)條安裝于井下不同水平的鋼纜皮帶組再加上轉(zhuǎn)載機和給煤機，相互鋼纜皮帶間無直接的聯(lián)、閉鎖關系，整個運輸系統(tǒng)的自動化程度和運輸效率較低。為了提高礦山自動化水平，緊跟世界領先科技，完善和提高鋼纜皮帶組的自動控制技術，達到減人提效，保證安全、可靠、高效運行的目的，就必須將礦井鋼纜皮帶組和轉(zhuǎn)載機與給煤機組成一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，最終通過網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、故障診斷、優(yōu)化以及測、控、管一體化的綜合自動化功能。

該文所指的鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是對礦井主運系統(tǒng)各個子系統(tǒng)工作狀態(tài)進行檢測和控制，用可編程控制器取得并分析處理數(shù)據(jù)的智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦主運系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

1 礦井鋼纜皮帶網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的硬件構成

礦用鋼纜皮帶網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的構成包含硬件和軟件兩部分：硬件主要包括3條全數(shù)字直流調(diào)速拖動的鋼纜皮帶、1條固定速度的轉(zhuǎn)載皮帶、4臺變頻器給煤機、PLC控制柜、傳感器若干及集控室計算機等；軟件部分包括PLC控制軟件和上位機軟件。

圖1為主運系統(tǒng)的結構，其中-750、-326、地面三條皮帶為雙直流電機400 kW拖動的鋼纜皮帶，均采用全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)為“上位計算機監(jiān)控+下位多PLC冗余控制+微處理器全數(shù)字調(diào)節(jié)+可控硅整流供電+拖動電機”的控制模式，單條鋼纜皮帶電控系統(tǒng)的自動化程度很高，其開車方式一般采用手動。每個煤倉配備一臺給煤機，給煤機是由一臺變頻器控制，調(diào)節(jié)其速度大小可以增加或減少給煤量，在保證皮帶不能堆煤的條件下控制皮帶負載大小。在-750和-326皮帶之間有一條轉(zhuǎn)載皮帶，其電機是普通的交流電機，速度是不可控的。

2 鋼纜皮帶效率最優(yōu)控制策略

礦井鋼纜皮帶運輸系統(tǒng)是一套很龐大而且復雜的系統(tǒng)，要實現(xiàn)其效率最優(yōu)調(diào)度方案需要考慮皮帶速度、煤倉煤量、給煤機速度、轉(zhuǎn)載機是否處于開機狀態(tài)、皮帶是否能堆煤等眾多因素。

在皮帶輸送煤炭的過程中，當皮帶速度一定時，可以調(diào)節(jié)負載（即給煤機給煤量）來提高電控系統(tǒng)整體效率。所以要達到效率最優(yōu)控制，必須調(diào)節(jié)給煤機量，即調(diào)節(jié)給煤機速度以達到效率最優(yōu)。

2.1 -326皮帶、給煤機、地面皮帶控制規(guī)則

當-326皮帶和地面皮帶運行時，根據(jù)控制規(guī)則，逆煤流啟動，所以先啟動地面皮帶，當皮帶速度大于1 M后啟動-326皮帶，等皮帶速度穩(wěn)定后，通過上節(jié)公式計算皮帶最佳負載，然后通過最佳負載計算給煤機給煤量即給煤機速度，最后通過Profibus-DP總線對給煤機速度進行控制（圖2）。

2.2 -750皮帶、給煤機控制規(guī)則

對于-750皮帶和給煤機的控制要相對復雜，因為這條皮帶運輸系統(tǒng)有3個煤倉，每個煤倉煤量有多有少，我們必須根據(jù)煤倉煤量來分配3條給煤機的給煤量，否則不但不能達到效率最優(yōu)，而且會使煤倉運輸不平衡，從而降低了運輸效率。

首先判斷轉(zhuǎn)載機是否開啟，如果轉(zhuǎn)載機未開啟則皮帶與給煤機都不能開啟。如果轉(zhuǎn)載機已啟動則啟動-750皮帶，當皮帶速度穩(wěn)定后計算皮帶最佳負載量。同時檢測各個煤倉的煤量，算出各個煤倉煤量所占比例，根據(jù)此比例合理分配給煤機速度。當算出各個給煤機速度后，必須檢測此速度是否超出給煤機所能達到的最大速度，如果沒有超出則通過網(wǎng)絡給出給煤機速度，如果超出必須進行速度重新分配，即把超出的速度分配給別的給煤機，最后再給出給煤機速度（圖3）。

3 鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)總體設計

根據(jù)現(xiàn)場情況，針對煤礦鋼纜皮帶運輸系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，進行了網(wǎng)絡控制設計，使用高可靠性PLC控制系統(tǒng)，對鋼纜皮帶電控系統(tǒng)的效率進行了很好的控制，并利用網(wǎng)絡對給煤機給煤量進行調(diào)節(jié)。針對網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡延時問題，利用模糊化控制策略對給煤機給煤量進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

考慮皮帶運輸系統(tǒng)的大滯后特性，直接用負載作為反饋環(huán)節(jié)進行控制時，由于皮帶負載的大滯后特性，使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度降低，而且容易使系統(tǒng)失穩(wěn)。結合煤礦生產(chǎn)對通拉煤量需求的特點及皮帶的運行特性可得如下特點。

（1）皮帶負載的調(diào)節(jié)可以有一定的延時。

（2）皮帶負載I與給煤機單位時間的給煤量一次方近似成正比，即皮帶負載I與給煤機轉(zhuǎn)速n在一定時段內(nèi)可以取為正比關系。

根據(jù)以上的特點，該系統(tǒng)在給煤量的閉環(huán)控制中，采用給煤機的轉(zhuǎn)速反饋來進行皮帶負載的實時調(diào)節(jié)，既解決了系統(tǒng)的失穩(wěn)問題，又能達到較好的給煤量控制效果。

具體實現(xiàn)思路是：給定皮帶負載經(jīng)速度轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)后，輸出給定的速度信，由速度信和測量所得的速度信進行比較后，得到速度偏差，送入網(wǎng)絡化模糊控制器進行計算處理，調(diào)節(jié)器的輸出直接控制變頻器的輸出，為提高控制精度，加快系統(tǒng)的響應能力，調(diào)節(jié)器采用參數(shù)智能修整的模糊調(diào)節(jié)控制策略，根據(jù)網(wǎng)絡延時的預測自動調(diào)整比例因子和量化因子等控制參數(shù)。所得信號經(jīng)限幅后進入變頻器環(huán)節(jié)，輸出相應的速度，再經(jīng)給煤機環(huán)節(jié)，輸出相應的給煤量。

當皮帶速度一定時，可以通過調(diào)整給煤機來調(diào)整皮帶負載，從而使系統(tǒng)運行在效率最高點，而非運行在其他點，以使該系統(tǒng)的節(jié)能效果十分明顯（圖4）。

4 結語

該文所研究的鋼纜皮帶效率最優(yōu)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是由3條全數(shù)字直流調(diào)速拖動的鋼纜皮帶、一條固定速度的轉(zhuǎn)載皮帶、4臺給煤機、PLC控制柜、傳感器等組成的。在未實現(xiàn)網(wǎng)絡控制以前，整個系統(tǒng)是由人工控制的，相互之間的信息傳輸是靠人或井下電話完成的，這樣使得整個系統(tǒng)不能構成一個整體，相互之間的控制不協(xié)調(diào)，從而導致了系統(tǒng)的效率低下，工人的工作任務繁重，系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障不能及時排除，運煤量達不到要求。

為了解決上述問題，該文充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)技術、PLC技術以及現(xiàn)場總線技術，把整個系統(tǒng)用工業(yè)網(wǎng)絡連接起來組成一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，從而使煤礦井下運輸系統(tǒng)的安全信息、設備的工況信息和控制系統(tǒng)在一個統(tǒng)一的平臺上傳輸，充分提高了礦井生產(chǎn)安全調(diào)度水平，實現(xiàn)對煤礦機電設備的遠程集中監(jiān)測與控制，同時利用網(wǎng)絡閉環(huán)控制，使給煤機的給煤量遵循最佳負載的要求，從而提高整個主運系統(tǒng)的效率。

該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了在調(diào)度集控室對鋼纜皮帶運行狀況的實時監(jiān)控，能夠及時監(jiān)視現(xiàn)場各設備運行參數(shù)的狀況，一旦現(xiàn)場系統(tǒng)運行有故障可以實時對事故進行相應的保護操作，實現(xiàn)對各段皮帶實時、可靠、快速的運行監(jiān)控效果。

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