王月茹

（華陽(yáng)集團(tuán)一礦， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

山西省平遙縣某礦采用DTL140/250/3×400 固定帶式輸送機(jī)，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。在實(shí)際輸送過(guò)程中，該輸送機(jī)常發(fā)生皮帶跑偏打滑現(xiàn)象，跑偏是輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中皮帶中心與滾筒中心發(fā)生錯(cuò)位，打滑是因皮帶運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致張力不足，或負(fù)荷過(guò)重使得皮帶與滾筒兩者摩擦力不足造成的。兩者嚴(yán)重影響了帶式輸送機(jī)的能耗及輸送效率?，F(xiàn)基于該輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 DTL140/250/3×400 帶式輸送機(jī)參數(shù)

1 動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)

1.1 PLC 控制器

帶式輸送機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部某一數(shù)據(jù)特征值或參數(shù)是否發(fā)生偏離，使設(shè)備不能按預(yù)期完成規(guī)定動(dòng)作。系統(tǒng)做到提前對(duì)設(shè)備異常情況的感知報(bào)警是衡量其運(yùn)作成功的關(guān)鍵，包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)行異常識(shí)別、故障處理等，其中對(duì)數(shù)據(jù)的采集是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，因此該系統(tǒng)配置兩種基于帶式輸送機(jī)速度控制的控制器，一種是PID 控制器，另一種是自適應(yīng)模糊PID 控制器。這兩種控制器都包含控制器模塊、FBI 過(guò)濾器模塊、DB 數(shù)據(jù)模塊、OB1 模板、OB35 編程塊等。其運(yùn)行過(guò)程中主板需對(duì)預(yù)先下載在PLC 內(nèi)的組織塊OB1 進(jìn)行掃描，該OB1 模塊不能寫入或調(diào)用算法，僅用于數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，可用LAD 進(jìn)行軟件編程。而OB35 編程塊可被主板進(jìn)行掃描處理，并可進(jìn)行0.1 s 的數(shù)據(jù)循環(huán)中斷。FBI 是基于變量參數(shù)化與臨時(shí)變量存儲(chǔ)特性的功能塊[1]。

1.2 PLC 控制器優(yōu)化

基于自適應(yīng)模糊PID 控制器對(duì)原控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，其控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。控制系統(tǒng)根據(jù)輸出數(shù)據(jù)變化率及誤差對(duì)初始值PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在PLC 控制器內(nèi)讀取范圍為-10～10 V，信號(hào)讀取以16位整數(shù)值表出，數(shù)據(jù)中10 V、5 V、0 V 用整數(shù)分別表示為32 768、16 384 及0。FB12 是基于模糊控制算法模塊。采用LAD 編譯并將產(chǎn)生的臨時(shí)變量存儲(chǔ)于DB3 中，這也生成了模糊控制系統(tǒng)新的功能。FB12 中函數(shù)使用SCL 進(jìn)行編寫，輸入函數(shù)為FC2，三角函數(shù)FC3，屬于編程塊可以進(jìn)行參數(shù)化處理。而最值可基于這些編程塊進(jìn)行去模擬化。該程序基于FC15 算法編寫，并用FC16 進(jìn)行范圍限制，否則計(jì)算值將超出編寫范圍。

圖1 自適應(yīng)模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2 速度控制系統(tǒng)

2.1 速度模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)為桿狀分布，由驅(qū)動(dòng)滾筒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)皮帶帶動(dòng)機(jī)尾滾筒進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，托輥起到降低皮帶摩擦力的效果，運(yùn)行過(guò)程中皮帶的張力保持不變且與位置無(wú)關(guān)，配置張緊裝置以保障皮帶負(fù)載下正常運(yùn)輸物料，避免松散狀態(tài)下發(fā)射跑偏及無(wú)法輸送物料的情況發(fā)生[2]。具體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示。應(yīng)用光電編碼器對(duì)其電機(jī)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該編碼器為兩相增量光電編碼，轉(zhuǎn)速有240、360、400 脈沖/轉(zhuǎn)速三種。兩相編碼器可產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)相位差來(lái)判斷電平特性是高水平還是低水平。這種編碼器在測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)速度、加速度方面有著廣泛的應(yīng)用。將光電編碼器接收的電機(jī)速度信號(hào)傳入控制系統(tǒng)，以便之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 物料監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)采用紅外傳感技術(shù)對(duì)輸送材料進(jìn)行監(jiān)測(cè)，受溫度、亮度影響較小，可通過(guò)發(fā)射固定頻率的紅外光來(lái)監(jiān)測(cè)物料，若帶式輸送機(jī)上有物料通過(guò)，紅外光會(huì)被物料吸收或反射，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換紅外傳感器上的顯示燈亮，信號(hào)輸出端輸出低電平。低水平信號(hào)會(huì)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，并傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)中。該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送物料的成功感知及識(shí)別，不同物料的吸收反射波會(huì)存在差別，因此也可起到識(shí)別煤矸效果。物料的量不同，對(duì)紅外光的吸收與反射效果也會(huì)出現(xiàn)差別，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送物料負(fù)載的監(jiān)測(cè)[3]。

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)控制模塊通過(guò)PID 硬件控制，每一級(jí)輸送機(jī)上的傳遞信息可由無(wú)線傳輸模塊向下一級(jí)控制中心進(jìn)行傳輸。兩級(jí)之間的信息差即速度差為PID算法的輸入值，可根據(jù)對(duì)輸入值的計(jì)算進(jìn)行下一級(jí)速度預(yù)測(cè)，從而進(jìn)行速度調(diào)整，以達(dá)到帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的效果。因此PID 算法是通過(guò)對(duì)傳遞信息進(jìn)行控制操作來(lái)來(lái)保障帶式輸送機(jī)的輸送效果。

帶式輸送機(jī)速度控制采用雙隔離直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，通過(guò)組合電路與PN 結(jié)連接控制對(duì)輸送機(jī)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，模塊輸出額定電流為6 A，峰值輸出電流45 A，輸出電壓10 V，基于低壓控制電路，電源尋找較為方面，可使用PWM 波進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該波頻率0～10 kHz 在調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)也更加精確?？刂齐姍C(jī)接線如圖3 所示。該單片機(jī)通過(guò)選擇合適的齒輪位置，接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸入端口，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)控制程序?qū)雴纹瑱C(jī)ROM 內(nèi)，單片機(jī)通過(guò)連接線將代碼處理結(jié)果傳入電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口，由端口信號(hào)對(duì)輸送機(jī)電壓進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的正常運(yùn)作。在電路中加入光電耦合可防止大電流通過(guò)電路時(shí)造成電路損害，達(dá)到對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)。

圖3 單片機(jī)接線示意圖

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)PID 控制器進(jìn)行試驗(yàn)，分別配置模擬電源20 V、5 A 一個(gè)，模擬輸入通道4 個(gè)，輸出通道2 個(gè)；數(shù)字輸入通道28 個(gè)，數(shù)字輸出通道18 個(gè)。編程系統(tǒng)程序由PLC 接收，0～10 V 電位計(jì)作為變量對(duì)PLC 輸入模塊通道進(jìn)行使用，并由示波器進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)施由程序邏輯控制器、帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)以及示波器組成，具體操作過(guò)程為：PLC 將輸出值由通道1 傳給系統(tǒng)操作人員，電機(jī)測(cè)量的速度監(jiān)測(cè)信號(hào)由PLC 輸入模塊通道2 反饋給控制器，在PLC 進(jìn)行波形過(guò)濾及放大，傳遞給通道2。通過(guò)控制器的響應(yīng)結(jié)果表明，帶式輸送機(jī)在低速低載荷運(yùn)行下即2 kg 負(fù)載以內(nèi)，PID控制器性能較好，與優(yōu)化后的自適應(yīng)模糊PID 控制器沒(méi)有較大差別；當(dāng)施加2～3 kg 載荷時(shí)，兩種控制器效果較為相同，穩(wěn)定性偏差基本處于一致；而當(dāng)載荷大于3 kg 時(shí)，PID 控制器開(kāi)始出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢(shì)，而自適應(yīng)模糊PID 控制器依然較為穩(wěn)定。由圖4 可以看出，在帶式輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)行下，優(yōu)化后的自適應(yīng)模糊PID（AFPID）控制器有著更好的穩(wěn)定效果，而傳統(tǒng)FID 控制器則出現(xiàn)了較大的穩(wěn)定性偏差，這也就解釋了該礦帶式輸送機(jī)發(fā)生跑偏及打滑未得到及時(shí)監(jiān)測(cè)處理的原因。

圖4 AFPID 試驗(yàn)效果圖

4 工程應(yīng)用

將優(yōu)化后的帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)應(yīng)用于該礦，并對(duì)負(fù)載下DTL140/250/3×400 固定帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體效果如下頁(yè)圖5 所示。由圖5 可以看出，在啟動(dòng)階段由于機(jī)尾未包含驅(qū)動(dòng)裝置，因此速度慢于機(jī)頭部位，但在40 s 之后，兩者運(yùn)行速度基本相同，也就是帶式輸送機(jī)得到穩(wěn)定運(yùn)行。將物料質(zhì)量逐步增加，兩者運(yùn)行速度并未發(fā)生較大變動(dòng)，且?guī)捷斔蜋C(jī)整體未發(fā)生明顯的跑偏及打滑現(xiàn)象，說(shuō)明該系統(tǒng)優(yōu)化方案有著良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

圖5 制氮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置

圖5 DTL140/250/3×400 帶式輸送機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了PLC 控制系統(tǒng)對(duì)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制監(jiān)測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比兩種PID 控制器，發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID 控制器性能明顯優(yōu)于PID 控制器，能夠適應(yīng)帶式輸送機(jī)負(fù)載變化。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的控制，可以使其平穩(wěn)啟動(dòng)減少?gòu)埩?，最大程度利用帶式輸送機(jī)的負(fù)載能力，降低輸送機(jī)能耗。該優(yōu)化方案的提出，為帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展提供了成功案例。將測(cè)試結(jié)論應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果，對(duì)煤礦企業(yè)創(chuàng)新節(jié)能發(fā)展有著重大意義。