礦井鋼纜皮帶效率最優網絡控制系統研究

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在實際應用中的現狀及存在的問題，結合近幾年流行起來的工業網絡技術，開發了一套基于以太網的鋼纜皮帶網絡控制系統，對整個系統進行了效率最優控制，并解決了網絡延時對控制效果的影響。由于鋼纜皮帶電控系統存在最佳負載，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，并通過網絡控制系統對給煤機速度進行控制。由于網絡中存在延時，筆者通過網絡化模糊控制器解決了網絡延時問題，實現了快速、準確的給煤控制，實現了整個系統的效率最優化。

關鍵詞：鋼纜皮帶 網絡控制 效率最優 網絡延時

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基本上是集中式數字控制系統，雖然其自身自動化程度已經較高，但一個礦井有數條安裝于井下不同水平的鋼纜皮帶組再加上轉載機和給煤機，相互鋼纜皮帶間無直接的聯、閉鎖關系，整個運輸系統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載機與給煤機組成一個網絡控制系統，最終通過網絡控制系統實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、故障診斷、優化以及測、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網絡控制系統是對礦井主運系統各個子系統工作狀態進行檢測和控制，用可編程控制器取得并分析處理數據的智能控制系統，能夠實現煤礦主運系統效率最優化。

1 礦井鋼纜皮帶網絡控制系統的硬件構成

礦用鋼纜皮帶網絡控制系統的構成包含硬件和軟件兩部分：硬件主要包括3條全數字直流調速拖動的鋼纜皮帶、1條固定速度的轉載皮帶、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，均采用全數字調速電控系統，電控系統為“上位計算機監控+下位多PLC冗余控制+微處理器全數字調節+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，調節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 鋼纜皮帶效率最優控制策略

礦井鋼纜皮帶運輸系統是一套很龐大而且復雜的系統，要實現其效率最優調度方案需要考慮皮帶速度、煤倉煤量、給煤機速度、轉載機是否處于開機狀態、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，可以調節負載（即給煤機給煤量）來提高電控系統整體效率。所以要達到效率最優控制，必須調節給煤機量，即調節給煤機速度以達到效率最優。

2.1 -326皮帶、給煤機、地面皮帶控制規則

當-326皮帶和地面皮帶運行時，根據控制規則，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，等皮帶速度穩定后，通過上節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有3個煤倉，每個煤倉煤量有多有少，我們必須根據煤倉煤量來分配3條給煤機的給煤量，否則不但不能達到效率最優，而且會使煤倉運輸不平衡，從而降低了運輸效率。

首先判斷轉載機是否開啟，如果轉載機未開啟則皮帶與給煤機都不能開啟。如果轉載機已啟動則啟動-750皮帶，當皮帶速度穩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 鋼纜皮帶效率最優網絡控制系統總體設計

根據現場情況，針對煤礦鋼纜皮帶運輸系統出現的問題，進行了網絡控制設計，使用高可靠性PLC控制系統，對鋼纜皮帶電控系統的效率進行了很好的控制，并利用網絡對給煤機給煤量進行調節。針對網絡中的網絡延時問題，利用模糊化控制策略對給煤機給煤量進行閉環調節，提高了系統的控制精度和可靠性。

考慮皮帶運輸系統的大滯后特性，直接用負載作為反饋環節進行控制時，由于皮帶負載的大滯后特性，使得系統的調節精度降低，而且容易使系統失穩。結合煤礦生產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）皮帶負載的調節可以有一定的延時。

（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與給煤機轉速n在一定時段內可以取為正比關系。

根據以上的特點，該系統在給煤量的閉環控制中，采用給煤機的轉速反饋來進行皮帶負載的實時調節，既解決了系統的失穩問題，又能達到較好的給煤量控制效果。

具體實現思路是：給定皮帶負載經速度轉換環節后，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，送入網絡化模糊控制器進行計算處理，調節器的輸出直接控制變頻器的輸出，為提高控制精度，加快系統的響應能力，調節器采用參數智能修整的模糊調節控制策略，根據網絡延時的預測自動調整比例因子和量化因子等控制參數。所得信號經限幅后進入變頻器環節，輸出相應的速度，再經給煤機環節，輸出相應的給煤量。

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

4 結語

該文所研究的鋼纜皮帶效率最優網絡控制系統是由3條全數字直流調速拖動的鋼纜皮帶、一條固定速度的轉載皮帶、4臺給煤機、PLC控制柜、傳感器等組成的。在未實現網絡控制以前，整個系統是由人工控制的，相互之間的信息傳輸是靠人或井下電話完成的，這樣使得整個系統不能構成一個整體，相互之間的控制不協調，從而導致了系統的效率低下，工人的工作任務繁重，系統如果出現故障不能及時排除，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以太網技術、PLC技術以及現場總線技術，把整個系統用工業網絡連接起來組成一個網絡控制系統，從而使煤礦井下運輸系統的安全信息、設備的工況信息和控制系統在一個統一的平臺上傳輸，充分提高了礦井生產安全調度水平，實現對煤礦機電設備的遠程集中監測與控制，同時利用網絡閉環控制，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的效率。

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

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