謝彬

(中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

煤炭作為基礎(chǔ)能源之一，在電力生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、居民生活等諸多領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的作用。

煤炭從礦井中開采出來最初形態(tài)為塊狀，當(dāng)應(yīng)用到具體行業(yè)或領(lǐng)域后，還需要進(jìn)行再加工，其中，煤塊到煤粉的轉(zhuǎn)換需要通過高速磨煤機(jī)來實(shí)現(xiàn)[1]。高速磨煤機(jī)主要由兩部分組成，即給煤單元和磨煤單元。首先煤塊通過進(jìn)料斗進(jìn)入到給煤單元內(nèi)部，然后在皮帶給煤機(jī)的輸送下，自由落體到磨煤單元中，再然后通過內(nèi)部的磨輥進(jìn)行碾壓、粉碎，最后從出料口出來的就是煤粉[2]。在給煤單元與磨煤單元交接的環(huán)節(jié)，給煤量大小通過給煤機(jī)轉(zhuǎn)速來控制，給煤單元轉(zhuǎn)速越高，煤流形成的拋物線越遠(yuǎn)，這就給磨煤單元的落煤管造成沖擊力越大，使得落煤管經(jīng)常出現(xiàn)損壞的問題[3]。面對這種問題，如何實(shí)現(xiàn)高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤成為研究的重點(diǎn)問題之一。基于上述分析，在保證煤塊不會沖擊到落煤管的前提下，通過精準(zhǔn)控制給煤單元轉(zhuǎn)速就能實(shí)現(xiàn)高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤。

基于上述分析，提出一種基于PLC與關(guān)聯(lián)規(guī)則的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制方法，以期提高高速磨煤機(jī)作業(yè)質(zhì)量，降低落煤管損耗。

1 基于PLC與關(guān)聯(lián)規(guī)則的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制研究

1.1 精準(zhǔn)落煤控制問題描述

落煤管的作用是連接磨煤機(jī)給煤和磨煤兩個單元[4]。煤塊在落煤管中實(shí)現(xiàn)2個單元的交接，這時在皮帶給煤機(jī)的帶動下，煤塊會呈現(xiàn)拋物線的形式落下，進(jìn)入到磨煤單元中。給煤單元轉(zhuǎn)速是影響高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤的最關(guān)鍵因素，當(dāng)皮帶給煤機(jī)轉(zhuǎn)速過大時，拋物越遠(yuǎn)，煤塊越容易碰觸到落煤管，但若是降低給煤單元轉(zhuǎn)速，落煤雖然不會沖擊落煤管，但是會降低磨煤工作效率[5]。圖1為落煤過程示意圖。

圖1 落煤過程示意圖

由圖1可知，精準(zhǔn)落煤控制的根本在于給煤機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，以此降低落煤過程中煤塊與落煤管之間碰撞沖擊力，減少落煤管損耗的目的[6]。

1.2 基于PLC的控制器設(shè)計

PLC被稱為邏輯控制器，是控制器當(dāng)中的核心硬件，其性能直接關(guān)系到控制器的整體運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量[7]。圍繞PLC設(shè)計高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制器，設(shè)計過程如下：

步驟1：PLC選型；

步驟2：分析控制要求；

步驟3：確定控制器I/O點(diǎn)數(shù)；

步驟4：配置PLC的各個硬件系統(tǒng)；

步驟5：自檢。檢測各個部件是否運(yùn)行正常；

步驟6：分配I/O點(diǎn)數(shù)

步驟7：繪制各個業(yè)務(wù)邏輯流程圖；

步驟8：設(shè)計控制程序；

步驟9：程序輸入到PLC當(dāng)中；

步驟10：軟件測試；

步驟11：測試是否正常？若正常，進(jìn)入到步驟14；否則，修改控制程序，并回到步驟9；

步驟12：設(shè)計安裝控制柜；

步驟13：現(xiàn)場測試環(huán)境搭建；

步驟14：進(jìn)行控制器整體測試，判斷控制器是否滿足控制要求？若滿足，完成基于PLC的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制器設(shè)計；否則，修改控制器設(shè)計，并回到步驟9[8]。

設(shè)計的基于PLC的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制器主要由以下6個部分組成，每個部分負(fù)責(zé)執(zhí)行不同任務(wù)，具體如表1所示[9]。

表1 PLC組成結(jié)構(gòu)

1.3 落煤作業(yè)參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

皮帶給煤機(jī)轉(zhuǎn)速是影響高速磨煤機(jī)落煤精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素，二者之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。通過挖掘二者之間的關(guān)聯(lián)知識，為后續(xù)控制提供控制準(zhǔn)則[10]。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘模型如圖2所示。

圖2 關(guān)聯(lián)挖掘模型

圖2關(guān)聯(lián)挖掘模型中，算法1的作用是從事務(wù)數(shù)據(jù)庫Q中發(fā)現(xiàn)頻繁項(xiàng)目集，算法2的作用是生成關(guān)聯(lián)規(guī)則，得到關(guān)聯(lián)規(guī)則集合R[11]。下面進(jìn)行具體分析。

(1)算法1：Apriori算法

利用Apriori算法尋找頻繁項(xiàng)目集的具體過程如下：

步驟1：掃描事務(wù)數(shù)據(jù)庫Q，確定Q中存在的項(xiàng)目數(shù)量；

步驟2：計算每一個項(xiàng)目的支持度，記為Ki,i=1,2,…,n；

步驟3：將支持度Ki與最小支持度閾值進(jìn)行對比，篩選掉小于最小支持度閾值的項(xiàng)集；

步驟4：重復(fù)上述過程，直至事務(wù)數(shù)據(jù)庫Q中所有項(xiàng)目集都遍歷完畢；

步驟5：完成Q中頻繁項(xiàng)集L的尋找[12]。

(2)算法2：改進(jìn)遺傳算法

改進(jìn)遺傳算法生成關(guān)聯(lián)規(guī)則具體過程如下：

步驟1：掃描關(guān)聯(lián)規(guī)則模式庫；

步驟2：對所有關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行編碼，產(chǎn)生初始種群；

步驟3：設(shè)置初始溫度；

步驟4：計算適應(yīng)度值；

步驟5：執(zhí)行改進(jìn)的三項(xiàng)遺傳操作；

步驟6：對變異后的個體進(jìn)行退火操作；

步驟7：退火溫度下降；

步驟8：判斷第k次迭代時的退火溫度是否為0？若為0，進(jìn)入下一步；否則，回到步驟6；

步驟9：是否滿足終止條件？若滿足，規(guī)則解碼并存入落煤作業(yè)參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則庫中；否則，回到步驟2[13]。

通過生成的關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以很明確皮帶給煤機(jī)轉(zhuǎn)速與高速磨煤機(jī)落煤位置之間的關(guān)系，為后續(xù)精準(zhǔn)控制的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1.4 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制模型

在高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制中，若給煤單元工作部件的轉(zhuǎn)速變化信號能夠被檢測到，設(shè)計的控制模型在基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的推理下，就能得到控制量數(shù)據(jù)，以此調(diào)控煤塊的運(yùn)送速度，保證煤塊的下落位置始終處在一個未接觸到落煤管壁的空間位置處，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)落煤[14]。

所設(shè)計的控制模型是以關(guān)聯(lián)規(guī)則為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建知識庫[15]。在知識庫的推理下，實(shí)現(xiàn)高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速控制，如圖3所示。

圖3 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制模型

在圖3中，以落煤拋物實(shí)際距離與給定最大距離之間的偏差s(t)及其變化率Δs(t)作為輸入量，以高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速為輸出量。具體控制過程如下：

步驟1：采集高速磨煤機(jī)給煤單元落煤拋物的實(shí)際距離，記為L1(t)；

步驟2：計算落煤拋物實(shí)際距離與給定最大距離之間的偏差s(t)，即：

s(t)=L1(t)-L2(t)

(1)

式中：L2(t)代表給定的落煤拋物最大距離。

步驟3：計算誤差變化率Δs(t)。計算公式如下：

(2)

式中：s(t)、s(t+1)代表時刻和t+1落煤拋物實(shí)際距離與給定最大距t離之間的偏差；Δt代表t時刻和t+1時刻之間的時間間隔。

步驟4：對s(t)、Δs(t)進(jìn)行量化處理，得到S(t)和ΔS(t)

步驟5：采用三角形模糊集合的方法將S(t)和ΔS(t)進(jìn)行模糊化處理；

步驟6：將2個模糊參數(shù)進(jìn)行尺度變換，將其調(diào)整到各自的基本論域范圍內(nèi)；

步驟7：基于上一章節(jié)挖掘的關(guān)聯(lián)規(guī)則建立模糊控制規(guī)則表；

步驟8：基于模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到控制量，即高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速。

步驟9：控制量解模糊化。公式如下：

(3)

式中：V代表高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速；f(yj)代表yj的隸屬度；yj代表輸出量化值；n代表模糊控制語句數(shù)量。

通過模糊控制器計算得出高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速參數(shù)，控制煤塊始終處在一個未接觸到落煤管壁的空間位置處，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)落煤控制[16]。

2 方法測試與分析

2.1 研究對象

方法測試所控制的對象為一臺小型高速磨煤機(jī)。該設(shè)備基本工作參數(shù)如表2所示。

表2 高速磨煤機(jī)基本工作參數(shù)

圍繞該高速磨煤機(jī)，搭建測試環(huán)境。

2.2 PLC選型

高速磨煤機(jī)落煤控制器設(shè)計中選擇的PLC型號為NA300 ，特點(diǎn)包括：采用嵌入式低功耗高性能32位處理器，主頻400 MHz；高速的通訊能力和執(zhí)行能力；先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計，強(qiáng)大的電磁兼容抗干擾性能；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：-25 ℃～+65 ℃(溫度)、5%～95%(濕度)；IO處理能力：支持最大10點(diǎn)數(shù)2500點(diǎn)；程序存儲空間8 M，數(shù)據(jù)8 M，支持32 K用戶自定義變量；高達(dá)1 ms的硬件時間戳事件分辨率；雙以太網(wǎng)接口，獨(dú)立IP地址，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS TCP協(xié)議和OPC協(xié)議；2個RS485接口，端子接線方式，現(xiàn)場調(diào)試接線更方便。

2.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

在測試中，所涉及的所有初始參數(shù)如表3所示。

表3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置表

2.4 關(guān)聯(lián)規(guī)則與模糊規(guī)則表

(1)關(guān)聯(lián)規(guī)則

基于章節(jié)1.3流程的落煤作業(yè)參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果如下：

當(dāng)高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速高于40 r/min，落煤拋物實(shí)際距離大于給定最大距離，發(fā)生沖擊碰撞；

當(dāng)高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速在30～40 r/min范圍內(nèi)，精準(zhǔn)落煤，煤塊在落煤管中中空落下；

當(dāng)高速磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速小于30 r/min范圍內(nèi)，不符合落煤效率要求。

(2)模糊規(guī)則表

將挖掘的關(guān)聯(lián)規(guī)則轉(zhuǎn)換為模糊控制規(guī)則表，如表4所示。

表4 模糊控制規(guī)則表

2.5 控制結(jié)果

以5 min為一個測試時間尺度，利用基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的控制模型對高速磨煤機(jī)落煤進(jìn)行精準(zhǔn)控制。控制結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速控制軌跡

圖5 磨煤機(jī)落煤拋物距離變化軌跡

從圖4和圖5中可以看出，所研究方法控制下，磨煤機(jī)給煤單元轉(zhuǎn)速始終保持在30～40 r/min范圍內(nèi)，對應(yīng)的落煤拋物最大距離始終在0～30 cm之間，且大部分距離數(shù)據(jù)都在15 cm附近，說明煤塊在落煤管中中空落下，沒有發(fā)生碰撞沖擊，實(shí)現(xiàn)了高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制。

3 結(jié)束語

為提高煤炭的燃燒效率以及質(zhì)量，提出一種基于PLC與關(guān)聯(lián)規(guī)則的高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制方法，基于PLC，在關(guān)聯(lián)規(guī)則的推理下，得出控制量，讓落煤拋物距離始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，調(diào)控煤塊的運(yùn)送速度，保證煤塊的下落位置始終處在一個未接觸到落煤管壁的空間位置處，有效避免了碰撞沖擊現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)高速磨煤機(jī)精準(zhǔn)落煤控制。然而，本研究存在需要改進(jìn)的地方，即未將煤塊大小考慮在內(nèi)，因此在未來研究中，有待進(jìn)一步分析。