礦用皮帶運輸機自動控制系統設計

耿杰龍

(西山煤電 官地礦，山西 太原 030022)

0 引言

煤炭轉運是煤礦生產作業中十分重要的一環，由于井下輸送線較長，且地形較為復雜，煤礦普遍采用輸送距離長、運煤量大、結構簡單可靠的皮帶運輸機完成煤炭輸送作業，因此，皮帶運輸機的高效可靠運行是提高煤礦產量、降低運輸成本的保障。目前大部分礦用皮帶運輸機卻采用變頻控制方式，即通過大功率高壓變頻器實現皮帶機的軟啟動，但該控制方式無法根據運輸量對皮帶運輸機轉速進行實時動態調節。當皮帶運輸機在某一時段處于空載、輕載或重載狀態時，其轉速均維持在設定值，造成電能損耗嚴重、傳動機構磨損加劇等問題。

針對上述問題，最有效的解決辦法就是通過更加有效的控制策略對皮帶運輸機的運行過程進行自適應控制，使控制系統具備隨當前煤量實時調節驅動滾筒電機功率的功能，從而達到皮帶運輸機帶速連續調節的目的。根據上述分析，本文通過引入皮帶秤、帶速傳感器等傳感設備對煤流量及帶速進行實時監測，由PLC根據上述參數對變頻器輸出進行實時調節，從而實現皮帶機的變頻調速[1]。在此基礎上，本文通過對模糊控制器的設計進一步提高系統控制精確度，使得變頻控制系統的控制精度及調速性能有效提升。

1 皮帶機自動控制系統總體方案設計

本文采用模塊化架構對整個控制系統進行設計，將系統按照不同功能劃分為不同模塊[2-4]。系統主要功能模塊包括監控上位機模塊、PLC主控模塊、監測保護模塊、參數檢測模塊、執行機構模塊及通訊模塊，皮帶機自動控制系統整體結構如圖1所示。

由圖1可知，PLC主控模塊為該系統的控制核心，其主要功能是對監測保護模塊及參數檢測模塊中各傳感器所采集的皮帶運輸機重要運行參數進行收集并實時上傳至監控上位機中，同時接收來自上位機的控制及報警等指令并控制執行機構模塊實現相應調速控制等操作。為了進一步提高系統的運行可靠性及控制效果，本文在傳統單CPU控制器的基礎上采用雙機熱備冗余技術，通過額外添加一套主控器CPU、電源模塊及通訊模塊，實現一主一備雙CPU運行，PLC主控模塊雙CPU熱備冗余控制結構如圖2所示。

圖1 皮帶機自動控制系統總體結構框圖

圖2 雙CPU熱備冗余PLC系統結構圖

當系統正常運行時，主控系統CPU負責對整個系統進行控制，備用CPU系統處于熱備用狀態；當主控CPU系統發生故障時，備用CPU通過兩者間的通訊模塊接收到故障信號后能夠實現無擾動實時同步切換，保證皮帶運輸機及其控制系統繼續運行。兩臺主、備PLC通過CP343-1通訊模塊連接至以太網與上位機進行通訊，同時通過MPI網絡實現主、備CPU數據信息同步[5-7]。兩臺主、備PLC通過Profibus網絡與I/O分站模塊進行通訊，I/O分站負責各類數字及模擬量信號的傳輸，實現運行數據及控制指令的實時交互。

2 硬件方案設計

本系統硬件主要包括PLC主控模塊、參數檢測模塊及模糊控制器的選型設計，為了保證系統的控制效果及運行可靠性，上述主要功能模塊的硬件性能及設計合理性至關重要。

2.1 PLC主控模塊選型設計

PLC主控模塊設計內容主要包括CPU模塊、I/O分站、通訊模塊及電源模塊等重要組成模塊的選型[8]。本文綜合系統對控制精度的要求及經濟性考量，選用S7-300型PLC作為系統的主控核心，其CPU選為315-2DP，其CPU處理速度較快，位運算最小值可達0.05 μs，浮點運算最小值可達0.09 μs，同時具備豐富的數字量及模擬量輸入輸出接口、高速計數器、PWM輸出接口及可支持通訊協議。通訊模塊選用CP343-1，可將PLC連接至工業以太網，同時還可作為Profinet I/O設備。電源模塊選用PS 307,5 A，其輸入為AC 120/230 V，輸出為DC 24 V/5 A，可滿足主控器的供電需求。I/O分站模塊選用ET200M，采用雙IM153接口，可用于與Profibus DP現場總線的鏈接，最多可擴展8個I/O模塊，數據傳輸速率最大為12 Mb/s。

2.2 模糊控制器設計

為了進一步提高皮帶機控制系統的控制精度及抗干擾性，本文采用模糊控制算法對系統的控制信號進行精確度提升，模糊控制系統原理如圖3所示。

圖3 皮帶運輸機模糊控制系統原理圖

模糊控制器的工作過程主要由四個環節構成，首先系統將皮帶機額定轉速設為輸入值r(t)，然后與帶速傳感器所采集的系統輸出值y(t)進行比較并輸出二者偏差量e及偏差率ec。e與ec作為模糊控制器的輸入量經模糊化后轉變為相應模糊量，以知識庫所建立的模糊控制規則通過查表的方式對模糊量進行推理計算，所得到的相應模糊控制量經去模糊化后即可輸出變頻器可接收的精確控制量，進一步對電動機進行調速控制。

2.3 參數檢測模塊選型設計

參數檢測模塊的硬件主要包括帶速傳感器、皮帶秤及電參數采集模塊三部分，用于實時采集皮帶運輸機的運行速度、運煤量及電機功率、電壓電流等重要系統參數。皮帶秤選用YB-GZK-NT型高精度電子皮帶秤，其測重范圍為1 t/h～5 000 t/h，測量精度可長期穩定維持在±0.2%，同時具備自動校驗修正功能。帶速傳感器選用礦用GSC4型，其測量精度可長期維持在±0.1%，測量靈敏度可達1%，滿足對帶速的測量精度需求。電參數采集模塊選用EDA9033A型功率采集器，其相電壓及電流量程分別設置為10 V～500 V及1 A～1 000 A，可對皮帶運輸機運行過程中的電機及變頻器的功率、電壓、電流進行實時采集。

3 軟件方案設計

皮帶運輸機自動控制系統軟件部分主要包括PLC主控程序及模糊控制程序兩部分。當PLC主程序運行時，首先通過上位機發出開車信號，并啟動綜合保護程序，通過綜保模塊對皮帶機運行環境進行檢查。確保無故障后皮帶運輸機正常啟動，并執行參數測控子程序對皮帶機進行帶速、煤流量實時采集，上位機控制系統對各參數進行分析處理后向PLC主控器發送控制指令，最終由PLC控制執行機構模塊進行相應啟停、調速、報警等控制，PLC主控程序流程如圖4所示。

圖4 PLC主控程序流程圖

模糊控制程序流程如圖5所示。系統首先通過初始化將控制決策表、量化及比例因子置入PLC主控器中，隨后對初始帶速進行設定，通過帶速傳感器所采集的實際帶速與初始帶速比較計算得到輸入偏差量e及偏差率ec，當e與ec超限時，對二者進行量化后進行模糊推理，通過查詢規則表的方式對皮帶機運行速度根據煤流量進行自適應調節，并維持皮帶機電機的功率平衡，維持皮帶運輸機的最佳節能運行狀態。

圖5 模糊控制程序流程圖

4 結束語

本文通過硬件方案設計選型及系統軟件設計在傳統礦用皮帶機控制系統的基礎上采用主控模塊雙CPU熱備冗余結構及模糊控制技術對其進行升級改造，通過雙CPU冗余結構有效提高了系統的運行可靠性，通過對模糊控制器的設計進一步提高了系統的控制精度，實現了皮帶運輸機的帶速自適應調節、運行狀態參數實時采集監測及故障超限報警等功能。