基于PLC的多中段提升機自適應速度控制及保護方法

李志杰，堅德毅

（1.甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741000；2.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741000）

礦井提升機是煤礦、有色金屬等礦山行業生產過程中的大型關鍵設備，是井下人員與設備通往地面的唯一通道，其可靠性和性能直接影響到礦山的高效生產、作業人員的生命安全等。尤其對于礦井提升機電控系統，提高提升機系統性能與可靠性，是減少礦山事故的關鍵，其合理的控制邏輯是高效生產的重要影響因素。礦井提升機主要用于升降人員、礦石和材料等，其分類多樣。本論文主要以按井道（井筒）、停車點分類的豎井多中段提升機為控制對象，對其全行程的速度控制及速度保護使用自適應算法，在豎井多中段提升機電控系統實際應用中突顯出了外部檢測設備少，生產效率高，運行保護可靠等優點，此控制方法同樣也適用于斜井提升機。

為實現系統的動態性能，通過構建主從式網絡拓樸結構，實現多點并行計算，各子節點完成計算后將結果回傳至主節點進行匯總分析，再將分析后的最優控制指令下發至各個控制單元，在相同的掃描周期內獲得更多的數據樣本，縮短計算時間。

主控CPU是主從網絡控制系統的主站，完成整個提升機電控系統的協作控制，是自適應速度保護及速度控制算法的核心。對傳動系統下發控制指令，于傳動系統采用PROFINET通訊，操作站是提升機電控系統的操控核心，主要完成提升機行程計算并將運算結果傳送至主控CPU。信號CPU除處理提升信號外，還完成最優行程規劃功能，并能屏蔽錯誤信號，將運算數據發送給主控CPU完成傳動系統的控制。

1 自適應速度控制及保護原理

以13個提升中段，7種運行速度（不含爬行速度、檢修速度等低速）的提升機為例；對于每個中段而言，無論是提升或下放作業時，到任一目標中段的運行速度都有出現這7種速度中某一特定速度的概率，而提升作業與下方作業時又對應不同的上與下減速點，因此，系統會存在168個減速點。而自適應算法依據精確的罐籠位置數據，采取程序算法計算出每個精準的減速點，從而取代掉繁多的硬件檢測設備。

自適應算法的核心思路就是建立7種提升機下放運行的速度參考模型，依據開車信號搜索系統全局最優解的方法。其直接目的就是達到：①讓提升機在特定行程范圍內以安全的速度運行。②為各種運行速度選擇最優減速點，保證安全減速距離的前提下，盡量縮短減速距離，達到高效生產目的。

為此，首先，傳動系統需具備調速范圍寬、動態響應塊、控制精度高的特點，我們優選主從結構的雙閉環直流調速傳動方案來驅動一臺直流電機，本文不再復贅。

其次，為了提高速度控制和速度保護曲線的精確度，首先要有較快的采樣時間，其次要有精度較高的樣本。為此我們采用了S71500系列的高性能CPU作為主控PLC，選用高精度增量式脈沖編碼器及高速計數模塊,并增加倍頻計算功能來計算罐籠位置。這樣就具備了自適應控制的基礎環節，可以更加快速地掌握設備最新狀態，提高控制的實時性。

最后為確保位置計算的可靠性，分別在滾筒與天輪上各安裝一只編碼器，對計算結果進行實時比較。

1.1 行程計算原理

行程計算時，機械結構特性、鋼絲繩纏繞層數變化引起的滾筒直徑變化、每層鋼絲繩纏繞圈數不同等所帶來的誤差性問題都是需要考慮的關鍵因素，是控制系統最基本也是最重要的參數，為解決這一問題，我們采取分層累積算法，利用該算法我們成功地解決了行程控制中因鋼絲繩均勻性差異導致誤差的問題。

該算法的具體計算流程如下：

第一步，根據設備設定3個參數的取值區間。設KP∈[p1,p2]，KI∈[i1,i2]，KD∈[d1,d2]。

第二步，依據外部檢測信號計算運行距離：

式中滾筒直徑D,鋼絲繩直徑d，纏繞層數Kp，每層鋼絲繩圈數Kd，機械系數Kt,脈沖數P。其中Kp的取值由Kd及外部信號決定。

這樣，我們就得到了精度較高的提升機罐籠位置數據。

1.2 速度曲線計算

在提升機提升/下放運行前，信號系統所發出開車信號后，主控PLC程序依據加速度、運行距離提前經函數運算，生成速度圖。信號系統發出運行命令后，判斷本次運行所允許運行的最大速度：當本次提升距離大于S1時，提升機系統設定提升容器以最大速度V1運行，當本次提升距離小于等于S1，且大于S2時，提升機系統設定提升容器以最大速度V2運行，當本次提升距離小于等于S2，大于S3時，提升機系統設定提升容器以最大速度V3運行，如此往復，根據設計及工況需要，由運行距離確定出本次提升的最大運行速度Vmax1；再通過提升種類（如礦石、人員、檢修等），確定出另一種最大速度Vmax2。兩種最大速度相比較，取較小的一個速度設定為本次提升的最大速度Vmax。

根據呼叫提升容器的水平，確定本次運行的終止點d；根據此時提升容器的深度，確定本次提升的起始點o；按照工況要求，手動輸入提升容器的爬行距離D；依據圖2所示，根據不同的最大速度、固定的最大加速度、固定的最大急動度，程序計算不同的加速距離A及減速距離C，如式2所示。

不同行程的理論運行速度。設加速段速度曲線為Voa,減速段速度曲線為Vbc,等速段速度為定值Vbc,通過如下函數計算，對應出不同位置的理論運行速度：

對于本文7種速度的提升機，需計算出7種速度圖模型，并將其存儲于數據庫中，作為不同行程范圍的速度控制及速度保護的參考模型。

1.3 速度控制自適應算法

為了實現多中段豎井提升機在不同的行程范圍能以最優速度圖為模型運行，根據提升信號的特征自動調用速度圖模型和速度控制處理順序，結構特征相適應，差別僅在于等速段的距離差異，可以根據外部信號調整，以取得最佳的處理效果。

自適應控制系統由1.2節計算出的速度圖模型、速度給定的輸出、反饋控制器和調整控制器參數的自適應機構等部分組成，包括內回路（主控程序）和外回路（開車信號）兩個回路。內環是由被控對象和控制器組成的普通反饋回路，而控制器的參數則由外回路調整。參考模型的輸出直接表示了對象輸出應當怎樣理想地響應參考輸入信號S。

當輸入s同時加到系統和模型的入口時，運行系統的輸出y響應由開車信號確定的速度圖模型模型yt，由于不同行程范圍的組合方式繁多，模型yt與輸出y不一定一致，結果將產生偏差信號e,且此偏差僅為等速段距離的偏差，由自適應程序機構監視此參數的實時變化，并當出現故障中段時，依據開車信號的變化具有修正輸出y功能，當系統輸出y=yt時，系統按照速度圖模型運行。

1.4 速度保護曲線

在理論運行速度不大于判斷出的最大速度的情況下，將各個區間的不同的理論運行速度放大5%至10%，作為全行程超速保護曲線的超速保護裕量，實際速度以曲線的方式越過全行程超速保護曲線所包絡的范圍，實際速度曲線一旦超過數字監控包絡線，即圖2實線超越虛線時，系統將會報超速故障，切斷提升機軟件安全回路，施閘停車。

圖2 速度包絡曲線

2 結論

本文傳統多中段豎井提升機速度控制及保護受限于初始化條件復雜，硬件設備多其實時性及精準度不高，在運行效率方面很難做到多速度作業，在速度保護方面僅在井口裝設有減速開關，井筒中速度控制依靠司機操控，對操作員高度依賴，無論是運行效率還是安全系數都得不到保障。

自適應速度保護及速度控制算法不僅具有初始化條件簡潔、硬件設備簡潔，并且能夠搜索系統全局最優解的優點，而且其自適應性可以更快地淘汰掉較差個體使算法的收斂效率更高。同時，它的在線模式可以實時地獲取設備當前運行狀態及關鍵數據，從而能夠及時更新并調整參數，提高了系統的動態性、安全性，因此這種自適應算法特別適用于實時性要求較高的多中段礦井提升機自動控制系統中。