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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