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(duì)選煤廠各個(gè)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(dòng)裝車系統(tǒng)存在作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)裝車系統(tǒng)的自動(dòng)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(duì)選煤廠裝車系統(tǒng)的自動(dòng)化控制進(jìn)行研究。

1 自動(dòng)裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、高精度實(shí)現(xiàn)需實(shí)現(xiàn)對(duì)精煤煤倉倉口閘門的控制，對(duì)皮帶機(jī)的控制，對(duì)煤炭重量的精準(zhǔn)稱重，對(duì)車廂進(jìn)行識(shí)別以及實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制功能。針對(duì)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)，并采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信，所選擇PLC 控制器的型號(hào)為S7-300 系列[2]。

根據(jù)控制需求，將自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、調(diào)度監(jiān)控層以及信息管理層。其中，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)；調(diào)度監(jiān)控層主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝車系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)裝車系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)

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

圖1 自動(dòng)裝車系統(tǒng)控制工藝流程

如圖1 所示，自動(dòng)裝車系統(tǒng)根據(jù)車廂內(nèi)煤炭的實(shí)時(shí)重量對(duì)煤倉液壓閘門和皮帶機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車廂重量滿足要求時(shí)鐵牛將裝滿的車廂拖走，并由車廂識(shí)別系統(tǒng)對(duì)車廂進(jìn)行識(shí)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(jī)的帶速，保證精煤能夠均勻地裝入車廂內(nèi)。

2 自動(dòng)裝車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)裝車監(jiān)控系統(tǒng)PLC 組件的選型

根據(jù)對(duì)自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)裝車任務(wù)的精準(zhǔn)控制首先需準(zhǔn)確獲取自動(dòng)裝車系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)裝車系統(tǒng)涉及到需控制的部件包括有皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、煤倉的液壓閘門（9 套）、下煤簸箕、鐵牛、車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)等[3]。

基于自動(dòng)裝車監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)跑偏情況、液壓閘門的開口大小、液壓站點(diǎn)的壓力進(jìn)行檢測(cè)，通過檢測(cè)結(jié)果及車廂內(nèi)精煤的實(shí)時(shí)重量可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤倉閘門的開關(guān)或者開口大小、皮帶機(jī)的帶速、液壓站壓力等參數(shù)進(jìn)行控制。PLC 為自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合工業(yè)PLC 的選型經(jīng)驗(yàn)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(jì)

自動(dòng)裝車系統(tǒng)的裝車流程設(shè)計(jì)：煤倉→液壓閘門→皮帶機(jī)→簸箕→車廂（實(shí)時(shí)稱重）→鐵牛牽引。

自動(dòng)裝車系統(tǒng)的控制流程設(shè)計(jì)：車廂進(jìn)入軌道→自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)車號(hào)進(jìn)行識(shí)別→由鐵牛牽引車廂到達(dá)指定位置→皮帶機(jī)啟動(dòng)—煤倉液壓閘口打開→精煤落入車廂并由稱重系統(tǒng)對(duì)車廂重量進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重→重量達(dá)到要求由鐵牛牽引出制動(dòng)位置[4]。

為確?；疖囓噹木毫繚M足要求，為自動(dòng)裝車系統(tǒng)配置GUC-S 系列動(dòng)態(tài)電子軌道衡實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂精煤重量的精準(zhǔn)測(cè)量。GUC-S 系列動(dòng)態(tài)電子軌道衡的稱重原理如圖2。

圖2 GUC-S 系列動(dòng)態(tài)電子軌道衡的稱重原理

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

圖3 煤炭水分自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面

3 自動(dòng)裝車系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

鑒于傳統(tǒng)PID 控制器對(duì)控制參數(shù)調(diào)整控制后為固定值，當(dāng)外界因素對(duì)系統(tǒng)造成干擾或者系統(tǒng)本身參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，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(shí)際生產(chǎn)的需求[5]。為此，本文將采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)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(duì)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(yàn)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(yàn)證模糊PID 控制算法的控制效果，以自動(dòng)裝車系統(tǒng)中皮帶機(jī)為研究對(duì)象，當(dāng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)到車廂到達(dá)指定位置時(shí)，皮帶機(jī)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(jī)的啟動(dòng)特性，如圖4。

圖4 模糊PID 控制算法下自動(dòng)裝車系統(tǒng)皮帶機(jī)啟動(dòng)特性

如圖4 所示，當(dāng)皮帶機(jī)具備啟動(dòng)條件時(shí)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)啟動(dòng)皮帶機(jī)且?guī)俜€(wěn)定所需時(shí)間僅為0.2 s，在整個(gè)控制過程中皮帶機(jī)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(dòng)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(duì)自動(dòng)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(jì)包含由調(diào)度監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)控制層和信息管理層組成的自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)；

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

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