王泰華， 陳致富， 王福忠

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000）

斜井巷道運(yùn)輸?shù)V車是煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ?，若礦車出現(xiàn)跑車，處理不及時可能造成極大損失。針對防止跑車事故的發(fā)生，出現(xiàn)了不少防止跑車的方法，如采用單片機(jī)做控制器、使用傳感器進(jìn)行測速等［1］。這些方法靈活可靠、快速性好，但各有自身的弊端，容易造成一些誤動作。單片機(jī)的抗干擾能力弱，傳感器易受外界因素的影響，特別易受巷道中季節(jié)溫度變化及本身長時間工作導(dǎo)致的溫度變化影響。這些影響容易造成較多的擋車欄誤動作，會給煤礦的正常運(yùn)輸帶來極大的不便。

本設(shè)計采用抗干擾性能強(qiáng)的西門子PLC作為控制器，使用霍爾傳感器感應(yīng)礦車的運(yùn)行速度。因霍爾傳感器是由半導(dǎo)體材料制成的，與一般半導(dǎo)體制成的傳感器元件一致，對溫度的變化非常敏感，所以本設(shè)計在霍爾傳感器后加一個BP網(wǎng)絡(luò)作為速度感應(yīng)器，來消除溫度變化對傳感器的干擾［2－4］。模擬實(shí)驗表明，該系統(tǒng)提高了傳感器的抗干擾能力，把擋車欄的誤動作減到最小，更好地保證了礦車的可靠運(yùn)行。

1 智能防跑車系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計防跑車控制系統(tǒng)由霍爾傳感器、BP網(wǎng)絡(luò)、光電耦合器、限位開關(guān)、提升機(jī)、紅外線感應(yīng)器、PLC、柔性擋車欄、阻車器、減速器、聲光報警系統(tǒng)和提升擋車欄電機(jī)等組成。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

采用PLC作為主控制器的硬件組成如圖2所示，當(dāng)?shù)V車經(jīng)過霍爾傳感器時，BP網(wǎng)絡(luò)濾掉來自周圍環(huán)境和自身長時間通電導(dǎo)致的溫度變化對霍爾傳感器測速準(zhǔn)確性的干擾，經(jīng)過光電耦合器隔離后傳送到PLC，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后與設(shè)定速度值進(jìn)行比較。若測量值大于設(shè)定值，系統(tǒng)斷定為發(fā)生了跑車現(xiàn)象，柔性擋車欄不動作，阻止礦車的繼續(xù)加速運(yùn)行，并發(fā)出聲光報警；若測量值小于設(shè)定值，系統(tǒng)判斷為正常，啟動提升機(jī)，提起擋車欄讓礦車順利通過，當(dāng)?shù)V車到達(dá)紅外線檢測區(qū)時，提升電機(jī)反轉(zhuǎn)把擋車欄放下。本設(shè)計具有反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、誤動作可能性小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

BP網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)和自組織能力，應(yīng)用在工程優(yōu)化與訓(xùn)練過程中能自動改變權(quán)值和閾值，以適應(yīng)周圍環(huán)境的需要，并且靈敏度高、可靠性好。

本設(shè)計通過BP網(wǎng)絡(luò)去除自身和外界產(chǎn)生的溫度變化對霍爾傳感器的影響，以適應(yīng)周圍的環(huán)境，使溫度對霍爾傳感器的影響減到最小，從而得到更準(zhǔn)確的測速結(jié)果［5－7］。通過Matlab仿真訓(xùn)練得出，BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最為合適，即2個輸入節(jié)點(diǎn)、4個隱層節(jié)點(diǎn)和1個輸出節(jié)點(diǎn)，既將誤差減到極小、減少了訓(xùn)練時間，又得到了合適的權(quán)值和閾值。訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)與霍爾傳感器連接，構(gòu)成智能霍爾傳感器，如圖3所示。

圖3 智能霍爾傳感器

該網(wǎng)絡(luò)隱層和輸出層的傳遞函數(shù)分別用雙曲正切S型函數(shù)和線性函數(shù)表示，公式分別為：

雙曲正切型S函數(shù)的字符串為tansig，線性函數(shù)的字符串為purelin，采用的訓(xùn)練函數(shù)為L－M優(yōu)化算法訓(xùn)練函數(shù)trainlm。

將霍爾傳感器電壓U和輔助溫度傳感器Ut作為網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，速度樣本值v作為網(wǎng)絡(luò)的輸出樣本值［8］，通過樣本值進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，記錄訓(xùn)練誤差并驗證，若達(dá)到設(shè)定的誤差要求結(jié)束訓(xùn)練，若沒有達(dá)到要求繼續(xù)訓(xùn)練，直到達(dá)到要求為止［9－11］。在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練之前對采集到的輸入、輸出樣本值進(jìn)行歸一化處理。

輸入歸一化處理公式為：

輸出樣本值歸一化處理公式為：

在實(shí)驗室模擬不同溫度和不同速度的實(shí)驗。當(dāng)?shù)V車通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器感應(yīng)測得受溫度影響下輸出的模擬電壓U和輔助溫度傳感器電壓Ut，建立二元函數(shù)，測得的數(shù)據(jù)見表1所列。

在Matlab下進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，設(shè)置目標(biāo)誤差為1×10－3，最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為1 000，訓(xùn)練顯示時隔為10，并設(shè)定當(dāng)達(dá)到設(shè)定誤差時立即停止訓(xùn)練，設(shè)置完所有的參數(shù)后進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，得出誤差曲線如圖4所示。

在BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時，輸出樣本值為無干擾情況下，霍爾傳感器感應(yīng)經(jīng)轉(zhuǎn)換后的礦車速度值，訓(xùn)練出的權(quán)值作為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際權(quán)值。BP網(wǎng)絡(luò)去除溫度的干擾，再經(jīng)過光電耦合器隔離過濾，得到準(zhǔn)確可靠的模擬電壓值，使系統(tǒng)的誤動作大大減小，提高了防跑車系統(tǒng)的可靠性。

表1 不同溫度下傳感器輸入輸出標(biāo)定值 mV

圖4 BP網(wǎng)絡(luò)性能誤差曲線

3 PLC程序設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用的控制器是西門子200系列的224XP CN型PLC，有24個數(shù)字量I／O點(diǎn)、14個輸入、10個輸出、2個模擬量輸入、1個模擬量輸出和6個高數(shù)計數(shù)器輸出，允許最大擴(kuò)展2個I／O模塊。在本設(shè)計中使用了7個數(shù)字量輸入和10個輸出，共17個I／O點(diǎn)，I／O分配表見表2所列。

按下礦車下行開關(guān)礦車運(yùn)行，當(dāng)?shù)V車前輪通過霍爾傳感器時產(chǎn)生感應(yīng)電壓，測得的感應(yīng)電壓值轉(zhuǎn)換成速度值存儲到VD105中，把設(shè)定速度值存儲在VD104中。VD105與設(shè)定值比較，若VD105大于VD104中的值，認(rèn)為發(fā)生了跑車事故，提升機(jī)不動作，擋車欄不升起，擋住礦車?yán)^續(xù)加速運(yùn)行，并發(fā)出聲光報警Q1.0，提醒工人和操作員發(fā)生了跑車現(xiàn)象。反之則提升機(jī)啟動，升起擋車欄Q0.6讓礦車順利通過，當(dāng)?shù)V車通過紅外線檢測I0.6時，提升機(jī)動作，把擋車欄放下，當(dāng)碰到下限位開關(guān)I0.5時提升機(jī)停止。

礦車上行通過紅外線時，提升機(jī)提升，擋車欄碰到上限位開關(guān)時停止提升，當(dāng)通過智能檢測系統(tǒng)時，擋車欄放下，擋車欄碰到下限位開關(guān)I0.5時提升機(jī)停止；當(dāng)經(jīng)過減速行程開關(guān)I0.3時，礦車開始減速；當(dāng)碰到阻車器I0.2時礦車立即停止。

表2 防跑車裝置PLC控制系統(tǒng)I／O分配表

4 結(jié)束語

本文僅以3種不同溫度為例，引入BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計整個系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗，測試整個系統(tǒng)的性能。當(dāng)模擬礦車前輪經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產(chǎn)生感應(yīng)，經(jīng)BP網(wǎng)絡(luò)過濾掉溫度的干擾，再經(jīng)過光電耦合器隔離，得到準(zhǔn)確的礦車車速產(chǎn)生的模擬電壓量，并把測得的電壓模擬量送給PLC，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后與設(shè)定速度值比較，判斷是否發(fā)生跑車事故。

通過實(shí)驗得知，與以往的設(shè)計相比較，本文設(shè)計系統(tǒng)性能有很大的提高，驗證了加入BP網(wǎng)絡(luò)后可靠性得到了很大的提高。用普通的霍爾傳感器測量時，由于易受溫度的影響，使測量值不太準(zhǔn)確。本文采用霍爾傳感器，并經(jīng)過BP網(wǎng)絡(luò)去除溫度的干擾，使得準(zhǔn)確性、可靠性和靈敏度均得到了大大的提高，使得測量誤差和擋車欄的誤動作大大減小，保證了礦車的可靠運(yùn)行。

采用柔性擋車欄延長了擋車時間，減小了礦車與擋車欄之間的瞬間沖擊力，很好地保護(hù)了礦車，采用該設(shè)計能更好地保護(hù)礦工的生命，從而保障了煤礦的安全運(yùn)行。

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