白小崗

（國家能源集團神東煤炭集團哈拉溝煤礦，陜西 榆林 719315）

中國現(xiàn)階段使用的絕大部分礦井的膠帶運輸機（簡稱礦井膠帶機）通常會采取工頻拖動的方式，對于變頻器驅(qū)動使用次數(shù)較少[1]。因為電動機長期處于工頻狀況下，再加上液力驅(qū)動耦合器的工作效率問題，這些都會造成礦井膠帶機在運行狀況下消耗的能源極其巨大，達(dá)不到經(jīng)濟環(huán)保的目的；同時由于電動機沒有辦法采用軟啟軟停，就很容易在機械設(shè)備應(yīng)用的時候產(chǎn)生劇烈撞擊，加快機械設(shè)備零件彼此之間的磨損；另外一方面，膠帶、液力耦合器的磨損以及日常維護等問題都會導(dǎo)致礦井企業(yè)加大經(jīng)費投入。現(xiàn)存的大功率、電子化的礦井膠帶機主要是以進(jìn)口設(shè)備為主，可是進(jìn)口礦井膠帶機的費用比較高昂，且其運行成本和日常維護所需要的代價也比較高[2]。因此，開發(fā)并使用具有可控變頻軟啟動/停止、可控變頻調(diào)速、液壓自動開啟/停止、智能集中控制功能的礦井應(yīng)用狀態(tài)下可伸縮用膠帶傳輸機去替代進(jìn)口儀器設(shè)備就顯得極其有必要了。

礦井膠帶機作為有色金屬生產(chǎn)中的重要設(shè)備，是確保礦產(chǎn)資源持續(xù)性產(chǎn)出、井下工作人員生命安全以及礦井下其他儀器設(shè)備穩(wěn)定運營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而被稱之為“礦井肺臟器”，承擔(dān)著向井下運輸氧氣，淡化有害氣體的濃度（如二氧化氮、二氧化碳等），帶走過多煤塵廢物，保持空氣的流暢，最大限度地降低瓦斯爆炸事故的發(fā)生，改善礦井下工作人員的勞動環(huán)境。礦井膠帶機的具體運行程序一旦出現(xiàn)意外或突發(fā)情況，就會對井下工作人員的人身財產(chǎn)安全以及正常的礦井生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失與重大威脅。通過對最近幾年國內(nèi)重大礦井安全事故發(fā)生原因的分析，絕大多數(shù)是因為膠帶機設(shè)備故障、安全管理不到位等原因造成的。而變頻調(diào)速作為最近幾年新出現(xiàn)的一門高新技術(shù)，它主要是利用改變電源頻率取調(diào)節(jié)設(shè)備調(diào)動速度的原理驅(qū)動設(shè)備，因其具備了調(diào)速穩(wěn)定、瞬態(tài)安全性較高、節(jié)能環(huán)保等特征而廣泛受到社會的重視。伴隨變頻調(diào)速技術(shù)的逐漸完善、發(fā)展，其在膠帶傳輸領(lǐng)域上也得到越來越廣泛的應(yīng)用。如果使用變頻調(diào)速器來驅(qū)動礦井電動機，就具備了啟動轉(zhuǎn)矩大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作時機械特征表現(xiàn)硬度較高、啟動以及運行效率高等優(yōu)點。

1 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電源接線設(shè)計

本系統(tǒng)需要220V交流電供電的儀器設(shè)備主要有PKC、巡檢設(shè)備1、巡檢設(shè)備2、巡檢設(shè)備3、工控器、大功率風(fēng)扇以及照明燈；還需要28V直流電供電的設(shè)備PKC數(shù)字屏幕輸入儀、數(shù)字鍵盤輸出儀、模擬輸入與轉(zhuǎn)速設(shè)備。另外還使用了2個電壓轉(zhuǎn)換器，將220V交/直流電轉(zhuǎn)換為28V直/交流電。同時，還需要1個電阻溶斷器，這主要是起到一個保護作用。

1.2 系統(tǒng)主回路功率開關(guān)器件選型

考慮到最后實驗平臺主電路所需的電壓級別，功率器件的耐壓級別和過電級別等條件下，對選擇出來的功率器件組織要求較高，可是由于受到分布系數(shù)等因素的影響，在一定狀況下主電路中會產(chǎn)生較高的沖擊電波或沖擊電壓，所以其功率器件就不可以根據(jù)傳統(tǒng)功率原則去選型。在考慮實驗安全因數(shù)α=1.9，同時一般情況下會設(shè)置線路電流波動系數(shù)為1.9，過壓保護水平為 120%。實驗平臺主電路中交流側(cè)輸出電壓最大為1200V，那么其電壓規(guī)格的選擇如下：

式中，Vces——集電流—發(fā)射集最高反向電流；

Vcep ——緩沖電容器電阻最終值；

Vcesp ——緩沖電容器電流最終值；

Ed——耐壓；

Ud——交流電源輸入/輸出電流；

礦井膠帶機變頻調(diào)速模糊控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)的最大功率為22kW，樣機系統(tǒng)設(shè)為5kW，所以在計算電流標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格時，采取最終最大功率主要是根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)功率去計算，換句話說逆變器容量P=24kW[3]。電流標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格技術(shù)的應(yīng)用也需要考慮到一定條件下的標(biāo)準(zhǔn)量，1.5為電流在 1分鐘內(nèi)可以承受的承載量；1.4為電路最大允許流經(jīng)電流的承載量，0.9為輸出/輸入電壓低于逆變交流側(cè)額定電壓百分之十的承載量。

1.3 變頻器與PLC接線

本系統(tǒng)采取的變頻器設(shè)備為西門子公司于2001年出廠的MM4201，MM4201型變頻器是西門子公司出廠的吹風(fēng)機、泵類負(fù)荷狀態(tài)下專用的變頻器，具備電動機分層控制、手動/自動檔控制、水泵空芯組織檢測、旁路、節(jié)能控制等專用效能[4]。具備2個模擬輸入電路，其信號類型可以是0～+20V、0～+30mA或-10～+I0V，這個模擬輸入設(shè)備可以作為第9和第10個數(shù)字型號進(jìn)行輸入；具有10個帶阻隔的數(shù)字輸入型號，并能夠隨時切換到NON/PLP接線；具備多個繼電器保護組織；具備4—10個0～+25mA的模擬信息輸出；電動機驅(qū)動信息數(shù)據(jù)組(DPS)、數(shù)據(jù)指令組以及設(shè)置值數(shù)字源(CDP)參數(shù)的設(shè)置值能夠進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換；具備多個可編程數(shù)碼頻率，5個可編程跳轉(zhuǎn)速頻[5]，具有集成RS401通信接端，可選擇的Profit bus-DL通信板塊。承載能力假設(shè)固定為160%額定電路電流的時候，其持續(xù)時間就延長為5s，在160%額定承載電流狀態(tài)下，其持續(xù)的時間可以維持在60s左右；具備過電路、欠電流保護、過熱保護、接地電流保護、故障保護、PYC/KOY發(fā)動機溫度保護[6]。變頻器與PYC的連接圖如下圖所示。

圖1 變頻器與PYC的連接圖

1.4 組態(tài)軟件PID控制器設(shè)計

組態(tài)軟件，即組態(tài)監(jiān)控模擬軟件。英文簡稱DAAMC，即Data Acquisition And Monitoring Contro（l數(shù)據(jù)搜集與監(jiān)控）[7]。組態(tài)（Configure）指的是系統(tǒng)配置、設(shè)定等意思，即用戶利用類似“塔積木”的簡單組建方式去實現(xiàn)系統(tǒng)所需要完成的軟件功能，而并不需要重新編寫程序代碼。換句話說，組態(tài)軟件著重對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬采集并對其進(jìn)行二次配置，進(jìn)而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控與實施的專用軟件。因為組態(tài)軟件具備簡便的系統(tǒng)配置手段以及數(shù)據(jù)信息監(jiān)控功能，所以己經(jīng)在眾多領(lǐng)域獲得了極其廣泛的使用，比方說礦井、石油、有色金屬、化學(xué)化工等。

目前我國的組態(tài)軟件有PID、世紀(jì)星、四維力控、組態(tài)王、Web.Access以及易控等。每一種組態(tài)軟件既有自身的使用優(yōu)勢，當(dāng)然也存在一定程度的缺陷和不足，所以我們就需要按照工程實施項目的現(xiàn)實狀況去對組態(tài)軟件進(jìn)行合理、科學(xué)、高效的選擇。本文系統(tǒng)應(yīng)用中的組態(tài)軟件選擇的是上海昆侖泰和有限公司生產(chǎn)的PID8.2版本[8]。PID具備諸多優(yōu)勢，比方說操作簡單、活學(xué)活用、功能發(fā)揮穩(wěn)定、安全度較高等，所以，在礦井利用專業(yè)得到了比較廣泛的使用。PID利用與其他有關(guān)的一系列硬件設(shè)備相結(jié)合，能夠迅速、有效、簡便的開發(fā)出各項用于現(xiàn)實釆集、數(shù)據(jù)模擬和控制的儀器。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在一起的科學(xué)研究。換句話說，就是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)礦井工作的模糊控制[9]。模糊控制主要根據(jù)數(shù)學(xué)定義的隸屬函數(shù)公式以及一系列并/串行的規(guī)律，通過邏輯推理思維順向去實現(xiàn)各種模糊信息的清晰化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是利用計算機網(wǎng)絡(luò)的自我學(xué)習(xí)、自我演繹、自我適應(yīng)努力提高系統(tǒng)的操作精準(zhǔn)度，縮小誤差值。

在礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，PID 控制器具備了傳遞性好、快速、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，然而常規(guī)操作的PID 控制器的參數(shù)設(shè)定需要用到被控對象的精準(zhǔn)模型，且設(shè)定出來的參數(shù)拒絕進(jìn)行線上二次調(diào)改[10]。而模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對此沒有任何要求，即不依賴被控對象的模型，且具備較強的自我組織與自學(xué)能力，延長了采集空間的擴展性。因而，本文提出將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)PID控制器中。基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化PID 控制器原理框架圖如圖2 所示。

圖2 智能化PID 控制器原理框架圖

它是以實際瓦斯?jié)舛群蜆?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯?jié)舛戎g的誤差值以及誤差變動率作為輸入信息的，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FNL 對PID 控制器的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得出相應(yīng)變頻器的設(shè)置值去控制礦井膠帶機變頻調(diào)速的波動值。在該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中，先使用其方法優(yōu)化隸屬函數(shù)的最大/最小值以及整體寬度，再利用BP 算法對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈接系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此舉能夠大幅度提高系統(tǒng)的自我適應(yīng)以及組織能力，強化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.5 PCB 板的設(shè)計

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計的原理圖后就可以進(jìn)行 PCB 布線。設(shè)計PCB 時，需要從幾個方面考慮。首先，是PCB 布局。通常來說，軟基設(shè)計涉及到的電路板上會出現(xiàn)不同性質(zhì)的電路，高頻/低頻電路、模擬電路、高壓電流/低壓電流電路，因而必須對此慎重對待，需要有效布局。其次，是PCB 布線。PCB 布線不僅僅需要考慮到電氣連用，還需要確保電波的系統(tǒng)兼容性。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是按照元器件特征采取以下原則進(jìn)行整體布線的：布線時，務(wù)必確保同一數(shù)據(jù)信號電線回轉(zhuǎn)面積最小，可以最大限度地降低磁場的耦合性。一旦數(shù)據(jù)信號環(huán)路面積太大，除了會受到自身電磁波的輻射外，還會受到外部電路環(huán)境的磁波干擾。另外PCB 上還會出現(xiàn)多個信號環(huán)路，它們彼此之間又會進(jìn)行二次干擾，導(dǎo)致強度增加。信號走線的時候，不可以太過靠近彼此，且拒絕平行架設(shè)，最好能夠做到垂直架設(shè)，努力降低重復(fù)電容的影響。電路布線時，需要減少鉆孔數(shù)，盡可能保證在同一層線路上，避免信號在重復(fù)過程中衰減、反射、變形。同時在其周圍架設(shè)比較大的地線面時，需要將其與別的高頻或低頻電壓電路進(jìn)行阻隔。這是由于電路中電力是強力干擾源，容易對其他數(shù)字信號造成信號干擾。PCB 板上不可以出現(xiàn)大面積的冗余，冗余的面積需要著重進(jìn)行網(wǎng)式敷銅，敷銅電網(wǎng)確保與地線無縫鏈接。敷銅電網(wǎng)能夠最大限度地降低地線的干擾，使其在傳輸過程中提高電源和信號的穩(wěn)定性，尤其是能夠大大減少高頻/低頻信號的電磁干擾，起到保護作用。

圖3 實驗效果對比如圖

2 實驗與效果分析

為了更加清楚、具體的看出此系統(tǒng)轉(zhuǎn)速效果，特與傳統(tǒng)礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行對比，對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。

2.1 實驗準(zhǔn)備

為保證試驗的精確度，將兩個系統(tǒng)設(shè)計置于相同的試驗參數(shù)之中，進(jìn)行磨損能力的試驗。試驗參數(shù)見下表。

表1 取樣分析圖譜信息

2.2 實驗結(jié)果分析

試驗過程中，通過兩種不同的系統(tǒng)設(shè)計同時工作在相同環(huán)境參數(shù)設(shè)置中，以ARM為系統(tǒng)控制芯片，組建礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)的實驗平臺，利用實驗去檢驗9.0Hz 至11Hz相互轉(zhuǎn)換的過渡過程，使其從9.0Hz頻率下啟動，運轉(zhuǎn)15s以后，將變頻器的輸入頻率轉(zhuǎn)變?yōu)?0Hz，在10Hz的工作狀態(tài)下繼續(xù)運行 10s以后,再將頻率轉(zhuǎn)變?yōu)?.0Hz。實驗得到的膠帶機轉(zhuǎn)速波形圖如下圖 所示，實驗結(jié)果中頻率轉(zhuǎn)換過程較為平滑，膠帶機轉(zhuǎn)速變化迅速精準(zhǔn)。為了進(jìn)一步驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在任意給定機構(gòu)頻率下，通過實驗進(jìn)行礦井膠帶機的變頻調(diào)速。其實驗波形再次驗證了該系統(tǒng)能夠控制變頻器輸入頻率的隨意變化，與傳統(tǒng)礦井膠帶機相比，本文設(shè)計的膠帶機不管是連續(xù)升速還是連續(xù)降速，其轉(zhuǎn)速變化都十分精準(zhǔn)、平滑、穩(wěn)定。實驗效果如圖3所示。

3 結(jié)語

本文對基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析，依托礦井膠帶機的運轉(zhuǎn)缺陷，根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與變頻調(diào)速的結(jié)合機制，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)本文設(shè)計。實驗論證表明，本文設(shè)計的方法具備極高的有效性。希望本文的研究能夠為基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的礦井膠帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計提供方法論。