礦井提升控制系統的設計與研究

王 晶

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

0 引 言

礦井提升機作為井下與地面的運輸扭帶，主要用于井下與地面的運輸，一方面是為井下輸送工作人員以及工作面開采需要的設備和物資，另一方面是將井下的礦物及矸石傳輸到地面。作為開采生產中一個必要環節，對于提升控制系統的高效對于提升機的運輸極為重要。由于傳統提升機的控制系統一般是通過異步電動機來實現提升機的提速。這種方式是通過改變串入電阻阻值來完成調速的目的，然而這種調速模式有著諸多問題，不夠安全可靠，設備占地面積大，維修麻煩，這種調速模式已經跟不上時代的步伐，亦不能滿足煤企生產，已經逐步被淘汰，因此高效可靠地提升控制系統對于煤企生產有著重大意義。

本文基于PLC 對礦井提升系統進行控制，對控制系統硬件進行了自動化優化設計，實現了對礦井提升運輸機的智能化控制。

1 調速原理

對于提升機的提升速度、加/ 減速度、提升距離都與提升時間存在一定對應的關系，提升機工作的時候，速度具有一定的規律，通過繪制提升機速度和時間相對應的圖來描述這一規律，這種圖形稱之為提升機速度圖1。

圖1 提升機速度圖

在圖1 的提升機速度圖中，T0 為提升機起始加速階段，經過一段時間后進入主加速階段（T1），在T2 階段即提升機的等速階段速度平穩運行，隨后進入T3 減速階段，經T5 減速階段后進入θ 停車階段，轉速的調節可由電機的頻率大小來實現，其調節關系式如下：

式中：n 為轉速；f 為供電頻率；s 為轉差率；p 為磁極數，就可以得出電機轉速。

2 系統硬件設計

變頻器及PLC 是提升機提升系統的核心的部件。通過利用型號為S7- 300 的PLC 中的功能模塊進行數據采集與分析計算，發出控制指令，信號模塊有數字量和模擬量兩種類型，用于接收信息和發送指令。S7- 300 中的Moudbus 模塊為通信模塊，通過對其參數的設定可實現遠程操控的需求。

圖2 S7- 300 硬件組成圖

系統I/O 接口分配，開關量輸入輸出分別有140和69 個，開關量輸入輸出備用12 和5 個以防不時之需。模擬量輸入輸出分別有6 和2 個。

變頻器由主回路和控制回路為其主要結構部分，本文所選用的變頻器型號為JD- BP37/38，該變頻器性能比同類產品更高，如互換功能，瞬時停電再啟動功能等，支持MODBUS 和PROFIBUS 協議，最大的特點是該變頻器運用了最新技術，對于電機輸出轉速的控制是通過電壓矢量和載波移相技術調節電機的頻率使得電機的轉速發生變化來實現的。

3 系統軟件設計

3.1 PLC 程序

PLC 程序編寫在 STEP7 操作，STEP7 程序以塊來呈現，方便用戶調試修改，編寫不同功能的塊，在主程序中直接調用，同時也存在不同的子程序，一起構成整個程序，整個系統設計的流程圖如圖3 所示。

圖3 系統設計流程圖

3.2 安全保護模塊

提升機在運行過程中，會由于現場環境可能出現故障，所以提升機電控系統必須要有安全保護措施，目前常見的故障主要有變頻器故障、過速、過卷、彈簧盤疲勞等等，就有相應的保護，通常安全模塊的設計流程如圖4 所示。

圖4 安全模塊設計流程

3.3 模擬量模塊

控制系統的控制流程一般為，傳感器將收集的數據信息傳到控制系統，控制系統將這些數據傳輸到PLC 中的CPU 模塊進行信息處理最終發出匹配的指令，就會涉及到模擬量信息和指令，所以模擬量模塊的設計至關重要，模擬量模塊設計流程如圖5。

圖5 模擬量模塊設計流程

3.4 上位機程序設計

人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話窗口[3]，為了方便現場使用，必須設計合適的人機交互界面。在界面上需要做到顯示提升機運行的狀態和參數，監測參數，及時發現故障，并能做出警示。本次設計選用MCGS 進行人機界面的制作，初始化界面如圖6，除此以外界面中還包括了故障畫面、提升機參數等等，可以點擊相關按鈕進行查看。

圖6 人機交互初始化界面

4 模糊自適應整定PID 在提升機系統中的運用

4.1 模糊控制原理

對于運用的智能控制方法是借由模糊控制理論體系實現的。所謂模糊控制是依托模糊理論、語言及邏輯為基礎的一種控制。其原理類似于人處理事件時所作出的判斷和決定，只要是通過學習前人的經驗和比較專業人士的理論，將其設定為相應的規則同時將采集的數據模糊化，經過對模糊信號的傳輸、處理、輸出一系列動作，最終實現模糊控制。模糊控制原理圖如圖7。

圖7 模糊控制原理圖

4.2 模糊自適應整定PID

PID 對于線性系統有著較好的控制，所以PID 在工業控制系統中應用很多，對PID 控制影響的有三個參數分別是比例調節系數、積分調節系數、微分調節系數，這三個參數分別在PID 控制中起不同的作用。比例調節系數改變系統響應時的速率，積分調節系數用于在系統出現穩態后，消除誤差，微分調節系數通過修正誤差的改變趨勢，使得PID 控制有更好的效果。

最優控制是將模糊控制與PID 控制的整合，通過控制系統的融合使得模糊自適應整定PID 更加高效。要想在工業中良好的運用模糊自適應整定PID，首先對工藝流程非常熟悉，搭建需要的模型，收集相關領域專家的知識和現場工人師傅平時操作經驗，整理專家知識和現場經驗，做出相應的控制規則，并將規則模糊化，最后完成PID 三個參數最優調整，從而實現現場的最優控制。

圖8 模糊自適應整定PID 結構

為了比傳統PID 控制更加高效，更好的應用于礦井提升系統。根據模糊控制規則對輸入量E（誤差）和EC(誤差變化率)的參數整定，優化其參數。模糊自適應整定PID 結構如圖8，將E（誤差）和EC(誤差變化率)參數進行模糊化處理，便于智能系統的控制。控制器對模糊信號進行推理后，會通過模糊處理將PID參數進行整定最終得出三個參數的修正量。結合參數修正量與PID 參數初始量，得到新的參數，即為整定PID 參數。

4.3 模糊自適應整定PID 控制器設計

確定控制器結構是設計模糊自適應整定PID 控制器的首要任務，其中輸入量為E 和Ec，輸出量是PID 參數的修正系數，最后將其結構在Matlab 仿真模塊中的用fuzzy 指令對控制結構的構建。第二步，確定模糊集和論域，本次設計中將模糊集分為7 個等級，分別是 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，相應的論域{- 6、- 4、- 2、0、2、4、6},。第三步對控制器隸屬度函數的確定，采用高斯型隸屬函數作為輸入量，采用三角形函數為控制器的輸出量。最后一步，確立控制規則，根據專家知識和工人操作經驗，根據誤差實時反饋設計出極大減小誤差的控制規則。

4.4 模糊自適應整定PID 實現方法

本次控制系統選用S7- 300PLC，較難編寫模糊控制規則，在STEP 7 中編輯隸屬度函數比較困難，所以較難實現在線進行控制，而對于離線控制是容易實現的。將控制語言整理成特殊的存儲格式，將其儲存在型號為S7- 300 的PLC 存儲器中。在控制系統運行的時候通過對調用尋址的方式將PID 參數傳輸到控制器中。從而實現系統的整體控制。

5 結 語

分析目前煤礦提升系統，發現了現在系統消耗高，故障率高，控制不靈活的問題，為了解決當前問題，提高礦井提升系統的效率，根據提升機調速原理，設計了一種基于PLC 的控制系統，用模糊自適應整定PID 控制方法，通過模糊控制和PID 控制相結合，大幅度增加了提升系統的性能。

對于本系統在礦井提升中的應用，充分的證實本系統與傳統的模糊控制和PID 控制單一控制相比，該提升系統性能更加優良，對于實際應用前景更寬范。