摘 要：為了提升煤礦提升機的控制效果，本文設(shè)計并研究了電氣控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計方面，進行了以PLC為核心模塊的總體架構(gòu)設(shè)計和基于DP算法的煤礦提升機控制主程序設(shè)計。DP算法根據(jù)煤礦提升機的各階段狀態(tài)，并在綜合采集脈沖量、模擬量和數(shù)字量3種輸入的情況下，進行分階段的優(yōu)先級計算和行程排序，以提升煤礦提升機的控制效果。試驗結(jié)果顯示，在PLC控制下，煤礦提升機的速度-時間曲線平穩(wěn)運行，DP算法的節(jié)能效率也顯著優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法。

關(guān)鍵詞：煤礦提升機；電氣控制；PLC

中圖分類號：TD 534" " " 文獻標志碼：A

在各種化石能源中，煤炭具有十分重要的地位。煤炭通過燃燒釋放熱量，是工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的重要能量來源[1]。自工業(yè)革命以來，煤炭一直是人類社會不可或缺的重要能源。不僅如此，煤炭還可以用于煤化工，進而產(chǎn)生多種附屬產(chǎn)品，對人類有較大的應(yīng)用價值。為了獲取煤炭資源，需要在具有煤炭儲備的礦區(qū)進行采掘[2]。煤炭礦井具有一定深度，為了提升運輸效率，普遍采用提升機設(shè)備進行煤炭、施工材料、重要設(shè)備和工作人員的運輸。提升機的使用需要滿足安全性、平穩(wěn)性需求，并且提升機具有一定的載質(zhì)量和理想的速度[3]，通常利用特定的控制系統(tǒng)對關(guān)鍵指標進行控制，例如對運行速度進行調(diào)整等。煤礦的歷史比較悠久，但是所使用的提升機還停留在繼電器時代，其核心控制技術(shù)陳舊、控制精度低且能耗較高[4]，尤其是開關(guān)控制模式下，機械裝置磨損快，還會出現(xiàn)安全問題。PLC是可編程的邏輯器件，控制性能優(yōu)異，靈活且易于擴展。目前，PLC已經(jīng)應(yīng)用于許多控制系統(tǒng)。本文將以PLC為核心進行煤礦提升機的控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 基于PLC的煤礦提升機電氣系統(tǒng)框架設(shè)計

繼電器是煤礦提升機調(diào)速控制裝置的核心器件。繼電器的優(yōu)點是整個控制方案簡單、易于實現(xiàn)，利用繼電器、開關(guān)以及周邊電路的簡單連接即可實現(xiàn)控制功能。但是，基于繼電器的煤礦提升機控制系統(tǒng)在不斷的使用中暴露出很多缺點。第一，繼電器控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)無極調(diào)速，從而加大了升降過程中沖擊；第二，繼電器控制系統(tǒng)的能耗高，能量并未轉(zhuǎn)化成提升機的動能；第三，繼電器控制系統(tǒng)可靠性差，提升機出現(xiàn)控制失靈的事件頻發(fā)；第四，在新的控制任務(wù)出現(xiàn)后，繼電器控制系統(tǒng)無法改裝或拓展。

為了解決繼電器控制系統(tǒng)問題，本文將PLC作為核心部件進行提升機控制系統(tǒng)設(shè)計，并給出硬件設(shè)計過程。

基于PLC的礦井提升機電控系統(tǒng)主要由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和變頻器調(diào)速系統(tǒng)組成。上位機監(jiān)控系統(tǒng)利用總線與PLC進行實時通信，主要用于對提升機的運行狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，上位機能夠及時發(fā)出警報指令，從而避免發(fā)生危險情況。主控系統(tǒng)的主要構(gòu)件是PLC，用于接收提升機電機的運行狀態(tài)信息，并對電機運行狀態(tài)進行準確控制。變頻器調(diào)速系統(tǒng)的主要構(gòu)件是變頻器，能夠控制輸入交流電的頻率，對提升機電機進行無極調(diào)速，避免對整個系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊。除此之外，系統(tǒng)還安裝了具有控制作用的傳感器，例如速度傳感器、位置傳感器等。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

礦井提升機控制的關(guān)鍵是準確控制電機的運行速度。根據(jù)礦井提升機的運行需求，可以將運行狀態(tài)分為5個階段，即加速階段、勻速階段、減速階段、爬行階段和制動階段。當(dāng)提升高度比較低時，不需要經(jīng)歷爬行階段，此時只有4個階段。在運行過程中，PLC能夠控制每個階段的運行時間，即準確控制提升機的運行狀態(tài)進行。該過程需要通過編程來實現(xiàn)。

2 基于DP算法的煤礦提升機電氣系統(tǒng)控制程序設(shè)計

2.1 煤礦提升機電氣系統(tǒng)總體控制架構(gòu)

PLC的性能強大，功能豐富程度，遠超繼電器。同時，PLC的通用性強，在不同領(lǐng)域中均可以發(fā)揮強大的控制功能。不僅如此，PLC的控制精度高、可靠性強且易于拓展。構(gòu)建煤礦提升機的PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)后，需要對其進行軟件設(shè)計。PLC的強大體現(xiàn)在其可編程的靈活性。對煤礦提升機來說，其主要控制任務(wù)就是行程控制。PLC行程控制軟件架構(gòu)如圖2所示。

在圖2所示的程序流程中，PLC內(nèi)部獲取的數(shù)據(jù)流有3種格式。第一種是傳感器獲得的各種模擬量，第二種是傳感器獲得的各種數(shù)字量，第三種是控制變量A脈沖和B脈沖PLC是數(shù)字控制設(shè)備，模擬輸入量需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換裝置變成數(shù)字量，才能納入循環(huán)程序使用，而數(shù)字量可以直接納入循環(huán)程序。2類脈沖經(jīng)過計數(shù)統(tǒng)計，也變?yōu)閿?shù)字量納入循環(huán)程序。循環(huán)程序根據(jù)設(shè)定的電氣控制程序，生成3類結(jié)果并輸出，即速度控制量、節(jié)點控制信息和故障信息。

2.2 基于DP算法的主控循環(huán)程序設(shè)計

當(dāng)煤礦升降機被發(fā)起多項請求，或煤礦升降機需要在不同行程點位進行?？繒r，如何處理這些任務(wù)的優(yōu)先級、如何配置升降機的先后順序就成為PLC內(nèi)主循環(huán)程序面臨的難題。

升降機多任務(wù)的優(yōu)化和求解的典型思路是將該問題進行拆解和細分，可以理解為細分為多個階段。DP算法是一種典型的全局優(yōu)化算法，能夠?qū)⒖們?yōu)化問題執(zhí)行多階段優(yōu)化。

DP算法中的各個階段可以采用參數(shù)k來表達，對應(yīng)于第k個階段的狀態(tài)可以用參數(shù)xk來表達。一個階段的優(yōu)化過程完成后，整個優(yōu)化問題的狀態(tài)參量隨之改變，決定系統(tǒng)狀態(tài)后續(xù)各階段發(fā)展的策略稱之為決策，用參數(shù)uk表達。據(jù)此，實現(xiàn)全局優(yōu)化的這個復(fù)雜問題就演進為一個問題所有階段狀態(tài)涉及的判斷規(guī)則設(shè)計問題，從而構(gòu)建出一個全局優(yōu)化函數(shù)，如公式（1）所示。

當(dāng)DP算法對煤礦升降機進行全局優(yōu)化時，還有一個非常重要的特征。當(dāng)優(yōu)化過程推演出當(dāng)前狀態(tài)的對應(yīng)決策后，后續(xù)各個狀態(tài)與已經(jīng)發(fā)生的歷史狀態(tài)無關(guān)，即所謂的DP算法無后效性?；谠撎卣?，DP算法對煤礦升降機多任務(wù)的優(yōu)化過程是可以分割的，即DP算法的可分性如公式（2）所示。

由DP算法處理可知，如果煤礦升降機在前一個階段獲得了被認可的行程位置，即以當(dāng)前位置作為下一次行程控制的起點，那么不再將之前的過程納入煤礦升降機后續(xù)控制過程。該處理保證了煤礦升降機行程控制、多任務(wù)分階段控制的合理性和煤礦升降機的控制效率，能夠避免歷史數(shù)據(jù)被反復(fù)納入主程序的循環(huán)測試，可以在更大程度上節(jié)省硬件資源的開銷。PLC主程序如圖3所示。

3 煤礦提升機電氣控制系統(tǒng)測試試驗

上文針對煤礦提升機的控制需求，進行了電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計工作。在硬件設(shè)計方面，進行了以PLC為核心模塊的總體架構(gòu)設(shè)計，包括上位機監(jiān)控系統(tǒng)、信號保護系統(tǒng)、變頻器調(diào)速系統(tǒng)、潤換系統(tǒng)、光電編碼器、電機、卷筒以及減速器等。在軟件設(shè)計方面，將脈沖量、模擬量和數(shù)字量3種信息作為輸入，利用循環(huán)程序控制得到速度、節(jié)點和故障3種輸出。本文重點進行了時間冗余、多模塊兼容和棄權(quán)規(guī)則的特殊程序設(shè)計，并給出了主程序的流程圖。下文將利用試驗對所設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)進行測試，以評估其對煤礦提升機的控制效果。

第一組試驗，檢驗提升機運行全周期內(nèi)的速度-時間變化規(guī)律。當(dāng)提升機開始運行后，會從0速度逐步加速升至最高速度，進而在最高速度保持平穩(wěn)運行。當(dāng)即將接近目標位置時，提升機會逐步降速，最高速度降至中間速度，平穩(wěn)運行一段時間后，再從中間速度降至最低速度并停止。提升機的速度-時間變化規(guī)律曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，根據(jù)煤礦提升機的速度變化，整個運行時間可以分為5個時間段。時間段1是一個勻加速過程，時間段3和時間段5都是勻減速過程，這3個時間段內(nèi)速度的變化均為線性。該控制效果保證了速度的改變不會使提升機發(fā)生劇烈波動，穩(wěn)定性更好。時間段2和時間段4均是恒速運行階段。最高速度的恒速運行時間最長，從而保證了提升機的運行效率。中間速度的恒速運行長于3段速度調(diào)整區(qū)間，取得了理想的控制效果。

第二組試驗，比較在本文提出的DP控制方法與傳統(tǒng)控制方法下，煤礦提升機運行過程中能耗的節(jié)省情況，所得對比曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著運行時間不斷推移，本文提出的DP控制方法在提升機的能耗節(jié)省方面具有明顯優(yōu)勢。DP的節(jié)能效果持續(xù)增加，而傳統(tǒng)控制方法下，30s以后的節(jié)能效果已經(jīng)趨于穩(wěn)定，無法繼續(xù)增加。

4 結(jié)論

井下作業(yè)是煤礦采掘工程中的重要內(nèi)容，為了確保采掘物料、采掘設(shè)備、技術(shù)人員的運輸，需要在礦井中使用提升機?？梢姡嵘龣C是物料和人員運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，在確保運輸安全的前提下，還需要滿足較大的運載量和平穩(wěn)性需求。為此需要更好地控制煤礦提升機，例如位置控制、速度控制等。本文設(shè)計了以PLC為核心的提升機控制系統(tǒng)，進而開發(fā)了基于DP算法的控制程序。在DP算法控制下，協(xié)同采集脈沖量、模擬量、數(shù)字量3種輸入，根據(jù)提升任務(wù)需求進行優(yōu)先級排序和速度控制。試驗結(jié)果充分證明了所提方法的有效性，在PLC硬件系統(tǒng)和DP算法控制下，煤礦提升機不僅可以平穩(wěn)作業(yè)，而且可以在各速度區(qū)間進行合理切換，保證物料和人員的運輸效率。

參考文獻

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