蘭晉生

（山西省節(jié)能中心有限公司， 山西 太原 030045）

引言

礦井提升機(jī)是集供電、排水、通風(fēng)、提升、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)于一體的系統(tǒng)設(shè)備，負(fù)責(zé)井下煤炭、物資器材與人員的運(yùn)輸工作[1]。如果提升機(jī)在工作過(guò)程中出現(xiàn)失控、超速與過(guò)卷等事故，不僅會(huì)造成設(shè)備的損壞，更有可能危害工人的生命安全[2]。礦井提升機(jī)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，電機(jī)及配套設(shè)施的電能消耗較大，占到煤礦總功耗的30%左右，造成了一定的能源浪費(fèi)[3]。因此，研究一種可靠性高、控制穩(wěn)定、節(jié)能性?xún)?yōu)良的系統(tǒng)具有重要意義。本文以西門(mén)子PLC 控制器為核心部件、變頻器為驅(qū)動(dòng)裝置，開(kāi)發(fā)了一種礦用提升機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的平滑速度控制，為礦井生產(chǎn)過(guò)程的綠色環(huán)保與安全可靠保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與分析

1.1 系統(tǒng)需求分析

1）提升效率。礦井提升機(jī)對(duì)系統(tǒng)的提升效率要求較高，隨著煤礦規(guī)模的增大，物料與器材設(shè)備的運(yùn)輸要求增多，需要進(jìn)一步優(yōu)化提升機(jī)的提升效率。

2）硬件系統(tǒng)可靠性。礦井環(huán)境復(fù)雜，提升機(jī)工作過(guò)程會(huì)受到較大的沖擊載荷，硬件系統(tǒng)的可靠性是提升系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。

3）環(huán)保節(jié)能。提升系統(tǒng)作為煤礦的主要電能消耗設(shè)備，可節(jié)約提升機(jī)的功率消耗，有效節(jié)約生產(chǎn)成本。

4）運(yùn)行數(shù)據(jù)的直觀(guān)顯示。系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通過(guò)人機(jī)交互界面將運(yùn)行數(shù)據(jù)直觀(guān)顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，方便檢修人員的數(shù)據(jù)追溯與維修。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

提升機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示，主要由主控制部分、供電部分、變頻驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)指揮部分、人機(jī)交互部分、液壓控制部分等組成。系統(tǒng)具有完整的人機(jī)交互功能，操作人員通過(guò)操作臺(tái)與上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，通過(guò)操作臺(tái)指示燈為工作人員顯示設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障。上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口接入地區(qū)調(diào)度室，在發(fā)生故障的情況下，保證地區(qū)工程師可快速接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的應(yīng)急處理與維護(hù)升級(jí)。系統(tǒng)采用雙PLC 冗余設(shè)計(jì)，主控PLC 完成提升機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)、邏輯運(yùn)算、液壓站、變頻器及信號(hào)系統(tǒng)的控制功能，輔PLC 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的后備保護(hù)，保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。操作臺(tái)是系統(tǒng)的控制端口，為人機(jī)交互的主要通道，司機(jī)通過(guò)操作按鈕與開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行方式的遠(yuǎn)程控制，通過(guò)人機(jī)交互界面與指示燈，快速便捷地判斷運(yùn)行故障。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)根據(jù)罐籠質(zhì)量進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)，在滿(mǎn)足運(yùn)輸需求的前提下，節(jié)省功率消耗是節(jié)能的關(guān)鍵。目前PID 算法是電機(jī)的常用控制算法，通過(guò)采集目標(biāo)的實(shí)時(shí)信息與給定值比較得到輸入偏差，采用比例、積分和微分進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID 算法對(duì)線(xiàn)性對(duì)象的控制效果好，可靠性高，但不適合提升機(jī)的自適應(yīng)控制。因此，本文將模糊控制與PID 控制算法相結(jié)合，通過(guò)模糊控制對(duì)PID 的3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)修正，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

模糊PID 控制改善了傳統(tǒng)PID 算法的缺陷，可根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整算法的PID 參數(shù)。提升機(jī)控制系統(tǒng)的模糊PID 調(diào)節(jié)原理如圖2 所示，主要由模糊控制器、PID 控制器、變頻器、提升機(jī)等組成。

圖2 提升機(jī)控制方案原理

給定提升機(jī)的轉(zhuǎn)速為Q0，通過(guò)編碼器檢測(cè)得到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速Q(mào)，將兩數(shù)據(jù)做差分析，得到參數(shù)的誤差與誤差變化率作為模糊PID 控制器的輸入信號(hào)，通過(guò)模糊控制規(guī)則推理生成各參數(shù)的修正量dKP、dKI、dKD，分別與初始PID 參數(shù)*KP、*KI、*KD相加后得到正定參數(shù)KP、KI、KD，送入PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)變頻器的自適應(yīng)控制。

在系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)初期，輸出數(shù)據(jù)的偏差較大，應(yīng)當(dāng)選取較小的積分參數(shù)與微分參數(shù)，較大的比例參數(shù)，避免出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象；在調(diào)節(jié)一定時(shí)間后，輸出偏差逐漸減小，應(yīng)當(dāng)選取較小的積分參數(shù)，逐漸增大微分參數(shù)，避免超調(diào)量快速增大；在調(diào)節(jié)末期，輸出偏差較小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)微分參數(shù)，保證輸出值穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

3.1 PLC 選型

本文選擇西門(mén)子S7-400 系列PLC 作為提升機(jī)的主控制器與輔控制器，PLC 硬件組態(tài)包括電源、CPU、數(shù)字量與模擬量輸入輸出模塊等。CPU 選擇功能強(qiáng)大的CPU224 型號(hào)，包括兩個(gè)通信端口，同時(shí)連接操作臺(tái)與上位機(jī)，滿(mǎn)足控制需求。

3.2 變頻器選型與接線(xiàn)

根據(jù)提升機(jī)驅(qū)動(dòng)需求，本文選用西門(mén)子公司的MM440 變頻器。變頻器輸入三相電源，輸出接三相交流電機(jī)。PLC、變頻器與電機(jī)的接線(xiàn)圖如圖3 所示，PLC 采用220 V 交流供電，變頻器采用380 V 三相交流供電。SB1 與SB2 按鈕分別為提升機(jī)的啟動(dòng)與停止按鈕，均采用常開(kāi)觸點(diǎn)與I0.0、I0.1 端口連接。

圖3 變頻器接線(xiàn)圖

3.3 信號(hào)采集裝置選型及安裝設(shè)計(jì)

如圖4 所示為信號(hào)采集裝置安裝示意圖。系統(tǒng)信號(hào)采集裝置主要包括行程開(kāi)關(guān)、溫度、壓力傳感器與編碼器等。行程開(kāi)關(guān)主要安裝于井筒，包括上過(guò)卷開(kāi)關(guān)、下過(guò)卷開(kāi)關(guān)、上終端開(kāi)關(guān)、下終端開(kāi)關(guān)、上減速電開(kāi)關(guān)、下減速電開(kāi)關(guān)上深度檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)、中間兩個(gè)深度的檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)與下深度檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)，共計(jì)10 個(gè)行程開(kāi)關(guān)。溫度與壓力傳感器用于檢測(cè)液壓站、潤(rùn)滑站與制動(dòng)泵等附近的油溫與油壓等參數(shù)，其中溫度傳感器選擇PT100 型電阻式溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍-200～＋850 ℃，壓力傳感器選用MPT230 壓力傳感器測(cè)量油壓信號(hào)，可將不同的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)。編碼器負(fù)責(zé)電機(jī)輸出軸、卷筒等轉(zhuǎn)速參數(shù)的采集，用于計(jì)算提升機(jī)的運(yùn)行速度，并監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。通過(guò)編碼器可以校驗(yàn)深度指示器的準(zhǔn)確性，有效提高提升機(jī)位置的定位精度。編碼器選用E6B2 型光電編碼器，測(cè)量最大轉(zhuǎn)速6 000 r/min，最高響應(yīng)頻率100 Hz。

圖4 信號(hào)采集裝置安裝示意圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，受到廣大員工的一致認(rèn)可，為企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。該控制系統(tǒng)應(yīng)用以前，提升機(jī)設(shè)備整機(jī)額定功率為1 000 kW，按每工作日16 h 生產(chǎn)時(shí)間、一年300 個(gè)工作日計(jì)，系統(tǒng)不進(jìn)行變頻調(diào)速控制時(shí)，提升機(jī)系統(tǒng)耗電量估算為480 萬(wàn)kW·h，按照市場(chǎng)商用電價(jià)每度0.8 元計(jì)算，全年電費(fèi)384 萬(wàn)元。裝置應(yīng)用后，2020 年提升機(jī)實(shí)際用電量430 萬(wàn)kW·h，理論節(jié)電率η=50/450≈11.1%，節(jié)約電費(fèi)約40 萬(wàn)元，具有較好的節(jié)能性，為企業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用前，2019 年提升機(jī)設(shè)備的故障停機(jī)次數(shù)為2 次，系統(tǒng)應(yīng)用后，2020 年提升機(jī)未發(fā)生故障停機(jī)事故，有效提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，保證了礦井提升效率，為礦井安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。