煤礦變頻調速控制系統中PLC技術的應用研究

摘 要：PLC以模塊化的組合結構為主，增加了系統靈便性，并且具有可靠性和抗干擾方面的優勢。它已經被普遍應用到機械設備數字控制、機器人、自動裝置控制以及多級自動控制系統中。近年來，PLC技術在煤礦變頻調速控制系統中應用比較普遍。該技術比較簡單，操作簡便，很大程度上提高了系統的安全性和可靠性。本文著重對PLC技術在煤礦綜合機械化掘進機變頻調速控制系統中的應用進行分析，以期從根本上提高它的整體應用效果。

關鍵詞：煤礦；變頻調速控制系統；PLC技術應用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.038

1 前言

昊華高家梁煤礦位于鄂爾多斯萬利礦區南部，礦井井下使用綜掘機配合全液壓錨索錨桿鉆車進行掘進，綜掘機為煤炭科學研究總院山西煤機裝備有限公司生產的EBZ220TY型。因井下煤層局部地區較為復雜，使得掘進機的截割頭處于復雜的工作狀態，且負載變化速率比較快。操作人員一般將掘進機的負載載荷和載各電機電流變化作為重要的調速控制指標，嚴重影響了掘進機的工作效率和系統穩定性，無法達到良好的應用效果。技術人員要將PLC作為控制核心，應用模糊控制方法實現系統PID參數的在線自整定，對掘進機進行變頻調速，以實現系統對非預見性擾動和掘進機負載變化的有效控制。

2 恒功率變頻調速系統

2.1 原理

掘進機處于正常工作狀態，截割電機的轉矩和煤巖層硬度以及自身牽引速度呈現正相關。技術人員要對掘進機電動機的牽引速度進行控制，避免截割電機功率超出其額定功率。如果，掘進機截割電機負載比較小，要提升電動機牽引速度，為電動機提供一個高效、滿載的運行環境。技術人員要結合具體訴求，對掘進機電動機牽引速度進行實時監控，確保掘進機接近額定功率，且處于滿載運行狀態。

2.2 變頻調速控制系統整體結構

PLC技術背景下，掘進機借助電流檢測裝置實現截割電機電流的實時采集，借助PLC模擬量采集擴展模塊，將采集到的模擬量電流信號傳遞給CPU，借助A/D轉換程序，對模擬量電流信號進行轉換，進而對電流偏差和偏差變化率進行計算。借助程序，在PLC中植入模糊控制規則，分別將電流偏差和偏差變化率與模糊規則表中的比較值進行比較，再借助PID模式進行運算，進而將模擬量控制信號輸入到變頻器中，并以此為介質，對牽引電機速度進行調節，以實現掘進機截割[1]。

3 PID模糊控制系統設計

3.1 PID模糊控制器結構

模糊控制器輸入為額定電流與檢測電流偏差和偏差變化率，借助模糊控制器，分別對其進行模糊，進而通過模糊推理和解模糊實現各項指標的在線修改。進而確保系統為差異化的偏差和偏差變化率提供優質的控制參數，確保控制系統的動態性能和靜態性能兼備。

3.2 PLC模糊控制系統

參數自整定PID模糊控制原理是使各個參數值結合偏差和偏差率變化，進行自適應調節。需要借助實際操作經驗，制定完善的模糊控制規則，以確保不同偏差背景下，系統能夠快速進行自我調整，并實現最優PID調節參數的輸出。結合實際操作經驗，隨著偏差和偏差變化率的轉變，各項參數指標也要滿足相應的規則：

（1）當系統處于初始狀態，偏差相對較大。應采取較小的參數值，避免偏差的瞬時變化引起微分溢出。如果需要提高響應曲線斜率，增加其響應速度，可以選擇較大的參數值。加之，積分作用過強，會影響系統超調，可以選取比較小的參數，實現積分環節的有效控制。

（2）系統處于調整狀態，需要適當縮小參數值，確保取值的適中性，并提高系統響應速度，對其超調量進行控制。同時，也要增加部分參數取值，進一步對系統超調量進行控制[2]。

（3）系統處于穩定狀態，無論是其偏差，還是偏差變化率都比較小。要對系統中的靜態誤差進行消除，以有效避免系統設定值附近存在輸出響應振蕩。當系統處于穩定狀態，在參數值選擇過程中，遵循適中性原則。系統分別將偏差及偏差變化率作為輸入，將PID三個參數值作為輸出。操作人員要結合具體情況，對函數進行合理選擇，以達到良好的應用效果。

針對模糊控制器的輸入變量偏差和偏差變化率，對其輸出變量和量化后的模糊子集進行確定。結合參數自整定PID模糊控制要求，對參數的具體模糊規則情況進行確定。

4 實驗與仿真結果分析

借助組態方式，對采集的電流信號進行處理，進而確定現場掘進機工作的實時電流曲線。對掘進機恒功率調速系統的參數自整定模糊PID控制系統模型進行構建。模擬電流信號輸入為單位階躍響應，A、B時間段，在系統中添加模擬截割煤，巖面硬化或者增加截割便利度。對系統是否能夠進行自適應調節進行分析。當A處的截割頭截割煤巖面出現硬化，增加電流和電機負載。借助反饋電流和設定電流值對系統進行比較，通過偏差，實現電機轉速的調節，從而增加轉矩，確保截割頭在額定功率背景下進行低轉速大轉矩運行。如果煤比較容易切割，無論是電機負載，還是工作電流都比較小，借助對系統的快速調節，對輸出脈沖進行有效控制，進而提高電機轉速，截割頭在額定功率背景下的截割狀態為高轉速低轉矩快速截割，以對掘進機截割頭恒功率進行有效控制[3]。

5 結語

煤礦開采過程中存在的安全隱患比較多。現代化進程的加快和社會的快速發展，對煤礦開采提出了越來越高的要求。煤礦變頻調速控制系統中，對PIC技術進行應用，能夠取得良好的應用效果。PIC技術是一種新型技術，在煤礦開采中具有良好的應用發展前景。傳統操作系統電能消耗比較大，開采效率也相對較低。而PIC技術不僅提高了煤礦開采效率，而且確保了其開采過程中的安全性和穩定性。當前，已經被廣泛應用到各個領域中。

參考文獻：

[1]趙四海，胡于偉等.基于PLC的掘進機電控系統設計[J].工礦自動化，2013（08）：102-104.

[2]朱文忠.基于PLC的煤礦掘進機電控系統的可靠性設計與實現[J].煤礦機械，2013（08）：269-270.

[3]趙亞陽.煤礦掘進機電控系統的可靠性設計[J].技術與市場，2015（09）：200.