程廣魁

（西山煤電屯蘭礦選煤廠，山西 古交 030200）

近年來，隨著綜采工作面采煤效率的提升，對選煤廠各個分系統(tǒng)的處理能力和性能提出了更高的要求。當(dāng)前自動裝車系統(tǒng)存在作業(yè)人員勞動強度大、工作環(huán)境差、效率低以及故障率高的問題，究其原因在于自動裝車系統(tǒng)的自動化水平低、裝車精度不高且故障定位不準(zhǔn)確[1]。本文著重對選煤廠裝車系統(tǒng)的自動化控制進(jìn)行研究。

1 自動裝車系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 自動裝車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

自動裝車控制系統(tǒng)的自動化、高精度實現(xiàn)需實現(xiàn)對精煤煤倉倉口閘門的控制，對皮帶機的控制，對煤炭重量的精準(zhǔn)稱重，對車廂進(jìn)行識別以及實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能。針對自動裝車系統(tǒng)的控制需求，本方案采用以PLC 控制器為核心的控制系統(tǒng)實現(xiàn)，并采用以太網(wǎng)實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，所選擇PLC 控制器的型號為S7-300 系列[2]。

根據(jù)控制需求，將自動裝車控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、調(diào)度監(jiān)控層以及信息管理層。其中，現(xiàn)場控制層主要基于PLC 控制模塊并結(jié)合模糊PID 控制算法所實現(xiàn)；調(diào)度監(jiān)控層主要是對現(xiàn)場裝車系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)的統(tǒng)一集中管理；信息管理層是為控制系統(tǒng)將來的控制需求提供程序及網(wǎng)絡(luò)接口。

1.2 自動裝車系統(tǒng)工藝流程設(shè)計

根據(jù)自動裝車系統(tǒng)的控制需求，設(shè)計如圖1 所示的自動裝車系統(tǒng)控制工藝流程。

圖1 自動裝車系統(tǒng)控制工藝流程

如圖1 所示，自動裝車系統(tǒng)根據(jù)車廂內(nèi)煤炭的實時重量對煤倉液壓閘門和皮帶機進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測到車廂重量滿足要求時鐵牛將裝滿的車廂拖走，并由車廂識別系統(tǒng)對車廂進(jìn)行識別。此外，控制系統(tǒng)根據(jù)車廂內(nèi)貨物的重量控制皮帶機的帶速，保證精煤能夠均勻地裝入車廂內(nèi)。

2 自動裝車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 自動裝車監(jiān)控系統(tǒng)PLC 組件的選型

根據(jù)對自動裝車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，要實現(xiàn)對自動裝車任務(wù)的精準(zhǔn)控制首先需準(zhǔn)確獲取自動裝車系統(tǒng)設(shè)備的實時運行參數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計，自動裝車系統(tǒng)涉及到需控制的部件包括有皮帶機的驅(qū)動電機、煤倉的液壓閘門（9 套）、下煤簸箕、鐵牛、車號識別系統(tǒng)等[3]。

基于自動裝車監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對皮帶機跑偏情況、液壓閘門的開口大小、液壓站點的壓力進(jìn)行檢測，通過檢測結(jié)果及車廂內(nèi)精煤的實時重量可實現(xiàn)對煤倉閘門的開關(guān)或者開口大小、皮帶機的帶速、液壓站壓力等參數(shù)進(jìn)行控制。PLC 為自動裝車控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合工業(yè)PLC 的選型經(jīng)驗及系統(tǒng)的控制需求，該系統(tǒng)所選用PLC 控制器為S7-300 系列，并為其配置如表1 所示的其他模塊。

表1 PLC 控制模塊的配置

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

自動裝車系統(tǒng)的裝車流程設(shè)計：煤倉→液壓閘門→皮帶機→簸箕→車廂（實時稱重）→鐵牛牽引。

自動裝車系統(tǒng)的控制流程設(shè)計：車廂進(jìn)入軌道→自動識別系統(tǒng)對車號進(jìn)行識別→由鐵牛牽引車廂到達(dá)指定位置→皮帶機啟動—煤倉液壓閘口打開→精煤落入車廂并由稱重系統(tǒng)對車廂重量進(jìn)行實時稱重→重量達(dá)到要求由鐵牛牽引出制動位置[4]。

為確?；疖囓噹木毫繚M足要求，為自動裝車系統(tǒng)配置GUC-S 系列動態(tài)電子軌道衡實現(xiàn)對車廂精煤重量的精準(zhǔn)測量。GUC-S 系列動態(tài)電子軌道衡的稱重原理如圖2。

圖2 GUC-S 系列動態(tài)電子軌道衡的稱重原理

水分為衡量煤炭經(jīng)濟價值的關(guān)鍵，煤炭中水分過高會給用煤企業(yè)造成損失，而水分過低會給煤炭生產(chǎn)企業(yè)造成損失。因此，為了避免在自動裝車過程中造成精煤水量的損失，在皮帶機上增設(shè)水分在線監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對精煤中水分的實時檢測，并在皮帶上方增設(shè)一套噴淋裝置。當(dāng)監(jiān)測到精煤中水分欠缺時，由PLC 控制器對噴淋電磁閥進(jìn)行控制啟動噴淋裝置，將水以霧狀的形式均勻噴灑于精煤上。針對精煤水分控制系統(tǒng)設(shè)計如圖3 所示的上位機監(jiān)控界面。

圖3 煤炭水分自動控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面

3 自動裝車系統(tǒng)控制策略的設(shè)計

鑒于傳統(tǒng)PID 控制器對控制參數(shù)調(diào)整控制后為固定值，當(dāng)外界因素對系統(tǒng)造成干擾或者系統(tǒng)本身參數(shù)發(fā)生變化時，原參數(shù)已不適用于新工況。即傳統(tǒng)PID 控制算法的魯棒性較差，其控制效果無法滿足實際生產(chǎn)的需求[5]。為此，本文將采用模糊PID控制算法實現(xiàn)對自動裝車系統(tǒng)的控制。

基于模糊PID 控制器能夠根據(jù)控制參數(shù)的變化量和變化率對控制參數(shù)進(jìn)行控制，在完成模糊PID控制器隸屬函數(shù)確定、模糊控制規(guī)則以及模糊推理驗證的基礎(chǔ)上，確定模糊PID 控制器中的積分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.02、微分環(huán)節(jié)參數(shù)為0.01、比例環(huán)節(jié)參數(shù)為0.1。

為驗證模糊PID 控制算法的控制效果，以自動裝車系統(tǒng)中皮帶機為研究對象，當(dāng)車號識別系統(tǒng)檢測到車廂到達(dá)指定位置時，皮帶機應(yīng)先于煤倉液壓閘口開啟以防止堆煤現(xiàn)象的產(chǎn)生，研究皮帶機的啟動特性，如圖4。

圖4 模糊PID 控制算法下自動裝車系統(tǒng)皮帶機啟動特性

如圖4 所示，當(dāng)皮帶機具備啟動條件時，控制系統(tǒng)能夠及時啟動皮帶機且?guī)俜€(wěn)定所需時間僅為0.2 s，在整個控制過程中皮帶機帶速振蕩次數(shù)較少且超調(diào)量很小。因此，模糊PID 控制算法在自動裝車控制系統(tǒng)中具有較佳的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

本文著重對自動裝車系統(tǒng)進(jìn)行研究，具體總結(jié)如下：

（1）以PLC 控制器為核心設(shè)計包含由調(diào)度監(jiān)控層、現(xiàn)場控制層和信息管理層組成的自動裝車控制系統(tǒng)；

（2）根據(jù)選煤廠裝車工藝為自動裝車控制系統(tǒng)設(shè)計裝車流程及其控制流程，并設(shè)計了以GUC-S系列動態(tài)電子軌道衡為核心的自動稱重系統(tǒng)，為保證煤炭的經(jīng)濟價值為自動裝車系統(tǒng)配置了水分在線監(jiān)測儀和噴灑裝置；

（3）以模糊PID 控制算法為核心的控制策略對自動裝車系統(tǒng)的控制具有響應(yīng)及時、超調(diào)量小以及振蕩次數(shù)小的優(yōu)勢。