王喜軍

(山西焦煤 西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲煤礦, 山西 古交 030200)

帶式輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一,用于實(shí)現(xiàn)長距離、大運(yùn)量輸送物料,其安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行對(duì)于提升煤礦井下生產(chǎn)效率具有非常重要的作用。將容錯(cuò)控制應(yīng)用于帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng),能夠使得該設(shè)備在故障條件下繼續(xù)穩(wěn)健運(yùn)行。主動(dòng)控制容錯(cuò)即根據(jù)故障信息在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)或者改變控制器結(jié)構(gòu),使得原設(shè)備控制系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。主動(dòng)控制容錯(cuò)機(jī)制能夠根據(jù)帶式輸送機(jī)故障類型、故障性質(zhì)調(diào)整系統(tǒng)控制律和控制參數(shù),處理并容忍指定故障,保證帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行[1-2]. 帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案的控制目標(biāo)主要為實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾錯(cuò)、降指標(biāo)運(yùn)行以及控制律在線重組。以帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制方案,以提升帶式輸送機(jī)的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案為廣義的主動(dòng)性容錯(cuò)控制,用于處理帶式輸送機(jī)的跑偏、撕裂、煙霧、打滑等故障,實(shí)現(xiàn)最大限度的帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)行,要求控制系統(tǒng)在故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)控制和降指標(biāo)運(yùn)行。帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,由故障檢測(cè)與診斷FDD(Fault Detect and Diagnosis)、故障分類器FCD(Fault Classifying Device)以及控制參考重置CRRP(Control Reference Replacement)3部分組成[3-4],虛線內(nèi)部分為原帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)。圖1中的U為控制輸出信號(hào),X為狀態(tài)輸入信號(hào),R為參考輸入信號(hào)。帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案的控制過程為：1) 從帶式輸送機(jī)故障信號(hào)中提取故障模式特征向量。2) 根據(jù)提取的故障模式特征向量進(jìn)行故障分類,確定容錯(cuò)控制參考變量,降低控制要求;采用RBFN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。3) 實(shí)施新的控制律,進(jìn)行糾錯(cuò)與降指標(biāo)容錯(cuò)控制。4) 當(dāng)帶式輸送機(jī)故障修復(fù)后,將控制參考變量恢復(fù)至正常運(yùn)行時(shí)的控制參考變量。

圖1 帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案用到的主要硬件設(shè)備包括PLC控制器、HMI顯示屏等。PLC控制器選用AB的ControlLogix 5580 1756-L82E高性能控制,自帶10 MB用戶內(nèi)存、USB端口、1個(gè)千兆以太網(wǎng)端口、175個(gè)EtherNet/IP設(shè)備,4個(gè)字符的字母/數(shù)字顯示器[5-7]. HMI選用AB的Bulletins 6181X顯示屏集成式計(jì)算機(jī),為12.1英寸TFT彩色顯示單元投射電容式顯示屏,支持1 300 nit超高亮度顯示,工作溫度范圍為-20～75 ℃;附帶128 GB固態(tài)驅(qū)動(dòng)器、CompactFlash類型卡槽以及PCle擴(kuò)展插槽;支持TCP/IP、Modbus以及CAN等多種通訊模式;支持系統(tǒng)備份、克隆以及故障診斷等。選用的PLC控制器、HMI滿足帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì)要求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)見圖2,通過Remote I/O Net主從式網(wǎng)絡(luò)將帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)主站、從站進(jìn)行連接,構(gòu)成帶式輸送機(jī)基本控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。1#監(jiān)控機(jī)、2#監(jiān)控機(jī)為帶式輸送機(jī)的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)節(jié)點(diǎn),以Modbus TCP通訊模式與PLC控制系統(tǒng)主站連接,以圖形、動(dòng)畫方式實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控,并通過指令操作接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備流程控制級(jí)控制[5-6]. 容錯(cuò)計(jì)算機(jī)為容錯(cuò)控制網(wǎng)絡(luò)上層控制中心,以TCP/IP通訊模式與2個(gè)監(jiān)控機(jī)相連,外掛于帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng),用于處理設(shè)備的故障診斷、故障分類以及控制律重組等。PLC控制系統(tǒng)主站、PLC控制系統(tǒng)從站為容錯(cuò)控制網(wǎng)絡(luò)下層控制中心,用于處理帶式輸送機(jī)邏輯變量、連續(xù)變量型故障信息。

圖2 硬件網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)圖

2.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)見圖3,帶式輸送機(jī)所有數(shù)據(jù)經(jīng)主PLC控制器后,由I/O驅(qū)動(dòng)器以Modbus通訊模式將數(shù)據(jù)映射至數(shù)據(jù)映射表DIT(Driver Image Table),完成設(shè)備與容錯(cuò)控制計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)同步。FIX組態(tài)軟件以毫秒級(jí)速率刷新內(nèi)置的過程數(shù)據(jù)庫PDB(Process DataBase),并與DIT進(jìn)行毫秒級(jí)高速數(shù)據(jù)傳輸。由于外部程序無法直接訪問PDB,因此,帶式輸送機(jī)容錯(cuò)應(yīng)用程序經(jīng)OPC接口實(shí)現(xiàn)PDB數(shù)據(jù)訪問,讀取設(shè)備故障信息并經(jīng)解析、解算后發(fā)出控制指令用于故障狀態(tài)時(shí)的帶式輸送機(jī)控制[7]. DDE(Dynamic Data Exchange)、ODBC(Open DataBase Connection)以及iHistorian為帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制系統(tǒng)對(duì)外的數(shù)據(jù)接口,即外部系統(tǒng)可通過上述3種方式進(jìn)行訪問。

圖3 硬件數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 容錯(cuò)控制應(yīng)用程序

帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制應(yīng)用程序外掛于控制系統(tǒng),為獨(dú)立程序,通過PDB與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,保持容錯(cuò)控制應(yīng)用程序的相對(duì)獨(dú)立性。容錯(cuò)控制應(yīng)用程序由C++編程實(shí)現(xiàn),分為容錯(cuò)控制處理程序模塊、人機(jī)界面程序模塊。容錯(cuò)控制處理程序流程見圖4,核心為RBFN運(yùn)算模塊。在PLC控制器掃描周期內(nèi),查詢控制器每一個(gè)I/O狀態(tài)以及通訊狀態(tài),識(shí)別帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí),對(duì)故障進(jìn)行分類、提取故障特征向量,經(jīng)RBFN運(yùn)算后確定容錯(cuò)控制參考變量并生成容錯(cuò)控制律索引號(hào)寫入PDB中,等待下一個(gè)PLC控制器掃描周期識(shí)別容錯(cuò)控制律索引號(hào)并利用跳轉(zhuǎn)指令將PLC程序跳轉(zhuǎn)至容錯(cuò)控制處理程序流程,實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制。

圖4 容錯(cuò)控制處理程序流程圖

3.2 設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用程序

帶式輸送機(jī)設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用程序基于FIX組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn),包括：1) 圖形界面設(shè)計(jì)子程序,如模擬顯示界面、狀態(tài)數(shù)據(jù)界面、輸煤監(jiān)測(cè)與記錄界面、報(bào)警與故障記錄界面、設(shè)備控制界面等。2) 數(shù)據(jù)接口子程序,用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用程序與PLC控制系統(tǒng)主站、PLC控制系統(tǒng)從站間的數(shù)據(jù)傳送與解析。

4 試驗(yàn)分析

將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)控制方案應(yīng)用于帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng),將故障控制模式優(yōu)化為故障→糾錯(cuò)與降指標(biāo)運(yùn)行→不間斷運(yùn)行→非運(yùn)行狀態(tài)修復(fù)→系統(tǒng)有效度不變,顯著提升了帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的可靠性。該容錯(cuò)控制方案應(yīng)用于山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲煤礦的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng),連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月,對(duì)每月帶式輸送機(jī)停機(jī)故障率、緊急停車率數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)并分析,并與未使用該容錯(cuò)控制方案的停機(jī)故障率、緊急停車率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,見圖5,圖6. 由圖5,6可知,設(shè)備停機(jī)故障率由原來的每月約7.1%下降至約2.8%,設(shè)備停機(jī)故障率下降了60.6%;針對(duì)帶式輸送機(jī)跑偏、撕裂、煙霧、打滑等故障,設(shè)備的緊急停車率由原來的每月約6.1%下降至1.8%,下降了71%. 同時(shí),控制系統(tǒng)的有效度由原來的89%提升至96%以上。

圖5 停機(jī)故障率曲線圖

圖6 緊急停車率曲線圖

5 結(jié) 論

結(jié)合故障診斷、容錯(cuò)控制技術(shù),設(shè)計(jì)一種帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案,實(shí)現(xiàn)了故障狀態(tài)下帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾錯(cuò)、降指標(biāo)運(yùn)行以及控制律在線重組。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,該帶式輸送機(jī)容錯(cuò)控制方案滿足設(shè)計(jì)要求,提升了帶式輸送機(jī)的安全性和可靠性,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。