付應(yīng)彬

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責任公司， 山西 原平 034114）

引言

礦井提升機和驅(qū)動裝置是采礦中常用的操作機械，它們承擔升降負荷的重要工作。由于儀器較多，傳統(tǒng)起重機和電纜在控制室的交錯操作復(fù)雜，相互干擾降低了儀器的精度，增加了駕駛員的負擔，降低了生產(chǎn)效率。同時，也會出現(xiàn)故障率較高、維修成本較高、維修周期較長、機械設(shè)備[1]停機損失較大等一系列問題。近年來，將變頻器和PLC 相結(jié)合的提升機控制系統(tǒng)在煤礦業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。針對礦井提升機和驅(qū)動裝置的控制問題，本文主要研究礦井提升機自動控制系統(tǒng)的開發(fā)。該控制系統(tǒng)采用了一種工業(yè)現(xiàn)場總線與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法。采用無線收發(fā)機芯片nRF9E5 和CAN 總線控制器芯片SJA1000，建立了點對點到多點的通信協(xié)議。建立通信網(wǎng)絡(luò)，編程進行數(shù)據(jù)采集和通信過程，實現(xiàn)工業(yè)控制計算機與多臺監(jiān)控計算機之間的無線數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以提高提升機操作系統(tǒng)的準確性和可靠性，減少維修工作量和勞動強度，提高安全生產(chǎn)水平，減少事故發(fā)生。

1 礦井提升機智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控與通信技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，傳統(tǒng)的控制方法已不能滿足智能控制系統(tǒng)[3]的發(fā)展要求。針對此種情況，本文采用了工業(yè)現(xiàn)場總線與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組合方法。提升監(jiān)控系統(tǒng)分為無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）兩部分。利用CAN 現(xiàn)場總線，可以非常方便地構(gòu)建通信骨干網(wǎng)。CANET-E 網(wǎng)關(guān)作為接入網(wǎng)現(xiàn)場總線的設(shè)備節(jié)點，可以實現(xiàn)與以太網(wǎng)的互聯(lián)。此外，CAN 現(xiàn)場總線可以接入無處不在的互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和管理，滿足現(xiàn)代企業(yè)管理的需要。

同時，CAN 總線設(shè)備節(jié)點可以實現(xiàn)與無線網(wǎng)絡(luò)的互連[4]，在小范圍內(nèi)構(gòu)成無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)（主要是RFID 采集）。現(xiàn)場采集的溫度、壓力、振動、功率等運行數(shù)據(jù)通過CAN 網(wǎng)絡(luò)或WSN 傳輸至監(jiān)控中心。提升機智能控制系統(tǒng)處理收集的數(shù)據(jù)，完成提升機操作控制?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 提升機控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 提升機控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)升降過程，提升速度控制單元可分為兩種結(jié)構(gòu)[5]，如下頁圖2 所示。在圖2-1 中，當提升機提升負荷時，控制器輸出控制量，步進電機驅(qū)動油門手柄移動相應(yīng)的行程?？刂屏哭D(zhuǎn)化為發(fā)動機節(jié)氣門開口的尺寸，從而調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速。最后，通過傳動機構(gòu)實現(xiàn)提升調(diào)速。在圖2-2 中，當提升機完成降低操作時，控制器輸出控制量，步進電機驅(qū)動主制動器的氣壓閥來調(diào)節(jié)制動壓力，以控制主制動器和鼓之間的摩擦力。最后，實現(xiàn)了減速的調(diào)節(jié)。

圖2 提升速度控制單元的兩種結(jié)構(gòu)

提升機運行時，駕駛員必須始終注意設(shè)備參數(shù)，根據(jù)提升機速度，調(diào)整油門或制動力，大大提高了駕駛員的勞動強度[6]。因此，在提升機自動控制系統(tǒng)中，有兩個任務(wù)要完成。首先，監(jiān)控提升機運行和運行數(shù)據(jù)，以便駕駛員了解設(shè)備的狀態(tài)。其次，自動控制提升速度。駕駛員啟動提升機后，根據(jù)負荷設(shè)置失速和工作速度，使自動操作開關(guān)打開，自動控制系統(tǒng)開始工作?？刂破鞯妮敵鐾ㄟ^步進電機轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門和制動手柄的行程，以調(diào)整發(fā)動機和主制動器，以獲得更穩(wěn)定的運行速度。自動控制系統(tǒng)執(zhí)行控制算法來調(diào)節(jié)油門開啟和制動空氣壓力，從而控制提升機的運行速度。提升機的工作圖如圖3 所示。

圖3 提升機工作圖

2.2 速度控制單元的硬件設(shè)計

提升自動控制系統(tǒng)采用二步電機分別調(diào)節(jié)油門手柄和制動手柄的行程，并依靠兩者的配合來控制提升速度。速度控制單元將從控制算法計算出的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為步進電機的角位移，以調(diào)節(jié)發(fā)動機的節(jié)氣門開口和制動缸的壓力。這樣就可以實現(xiàn)提升機運行速度的調(diào)節(jié)。步進電機采用西安立山電子公司生產(chǎn)的四相八線電機85BYGHl04，步進電機驅(qū)動器采用西安立山電子公司制造的SH2034M 驅(qū)動器，如圖4 所示。

圖4 步進電機驅(qū)動器連接圖

2.3 提升機運行速度的控制算法

由于提升機的非線性和不確定性，采用傳統(tǒng)的線性控制方法不能得到滿意的控制效果。基于模糊理論的模糊控制或PID 控制可以提高提升機的控制性能。以提升過程為例，在提升機初始運行階段，由于滾輪離合器主從盤之間相對滑動，提升機扭矩不能全部傳遞到提升機。此時，對于調(diào)速、干擾和偏差較大。為了調(diào)節(jié)提升速度以快速接近給定的速度，可以采用蟻群算法來獲得最優(yōu)的速度控制。在勻速運動過程中，離合器工作正常，提升機扭矩通過驅(qū)動系統(tǒng)完全轉(zhuǎn)移到提升機上。此時速度變化相對穩(wěn)定，偏差不大。

由于發(fā)動機具有時變和強干擾特性，模糊自適應(yīng)PID 方法可以在線調(diào)整PID 參數(shù)，因此當采用蟻群算法調(diào)整提升速度接近設(shè)定速度時，為了適應(yīng)調(diào)整速度和精度，采用模糊自適應(yīng)PID 方法在小范圍內(nèi)調(diào)整提升速度。結(jié)合模糊自適應(yīng)PID 控制的蟻群優(yōu)化控制形成復(fù)合控制算法，算法的方框圖如圖5 所示。

圖5 算法框圖

3 提升機控制系統(tǒng)的功能驗證

將設(shè)計的提升機控制系統(tǒng)應(yīng)用到某煤礦提升機，進行現(xiàn)場驗證。經(jīng)現(xiàn)場驗證，該提升機控制系統(tǒng)完美匹配提升機，具有靈活、方便的參數(shù)設(shè)置功能。此外，根據(jù)現(xiàn)場需要，對傳感器的靈敏度、采樣頻率、數(shù)據(jù)采集時間、數(shù)據(jù)存儲的時間間隔、報警參數(shù)、報警閾值等參數(shù)進行設(shè)置并驗證，采集一定的時間間隔內(nèi)振動、溫度、轉(zhuǎn)速和潤滑油壓力，對采集功能進行了驗證。將采集到的速度與時間繪制成如圖6 所示的速度曲線圖，曲線符合理想的非對稱五段圖曲線，也驗證了此系統(tǒng)是合理的。該控制系統(tǒng)采用了蟻群優(yōu)化控制算法和模糊自適應(yīng)PID 控制復(fù)合控制算法，實現(xiàn)了提升機的穩(wěn)定運行。對提升機組工作狀態(tài)的智能判斷和自動報警。系統(tǒng)可以根據(jù)振動、溫度、壓力等參數(shù)來確定軸承的工作狀態(tài)。一旦溢出，立即采用聲音報警、彈出式黃色警告窗口和目標顏色指示報警三種報警方法進行報警。該系統(tǒng)可以自動存儲、查詢歷史數(shù)據(jù)，存儲使用時間驅(qū)動和事件驅(qū)動的組合方法。

圖6 提升機速度曲線圖

4 結(jié)語

基于PLC 進行模糊控制，可以根據(jù)外部因素調(diào)節(jié)電機的速度，從而提高了PLC 的可靠性、靈活性、兼容性，并提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和自動化程度。所提出的礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。本文著重分析了礦井提升機的自動控制系統(tǒng)，介紹了智能控制系統(tǒng)的發(fā)展。本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器、提升開關(guān)傳感器和壓力測量模塊，監(jiān)控提升機和驅(qū)動裝置的狀態(tài)及運行環(huán)境。因此，它可以對生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的故障和安全隱患進行早期預(yù)警，以有效地完成繁重的采礦工作。