煤礦提升機(jī)電氣控制技術(shù)分析

摘 要：為了提升煤礦提升機(jī)的控制效果，本文設(shè)計(jì)并研究了電氣控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)方面，進(jìn)行了以PLC為核心模塊的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)和基于DP算法的煤礦提升機(jī)控制主程序設(shè)計(jì)。DP算法根據(jù)煤礦提升機(jī)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(jìn)行分階段的優(yōu)先級(jí)計(jì)算和行程排序，以提升煤礦提升機(jī)的控制效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在PLC控制下，煤礦提升機(jī)的速度-時(shí)間曲線平穩(wěn)運(yùn)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(jī)；電氣控制；PLC

中圖分類號(hào)：TD 534" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(guò)燃燒釋放熱量，是工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的重要能量來(lái)源[1]。自工業(yè)革命以來(lái)，煤炭一直是人類社會(huì)不可或缺的重要能源。不僅如此，煤炭還可以用于煤化工，進(jìn)而產(chǎn)生多種附屬產(chǎn)品，對(duì)人類有較大的應(yīng)用價(jià)值。為了獲取煤炭資源，需要在具有煤炭?jī)?chǔ)備的礦區(qū)進(jìn)行采掘[2]。煤炭礦井具有一定深度，為了提升運(yùn)輸效率，普遍采用提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行煤炭、施工材料、重要設(shè)備和工作人員的運(yùn)輸。提升機(jī)的使用需要滿足安全性、平穩(wěn)性需求，并且提升機(jī)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(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行控制，例如對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整等。煤礦的歷史比較悠久，但是所使用的提升機(jī)還停留在繼電器時(shí)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(jī)械裝置磨損快，還會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。PLC是可編程的邏輯器件，控制性能優(yōu)異，靈活且易于擴(kuò)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(jìn)行煤礦提升機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于PLC的煤礦提升機(jī)電氣系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

繼電器是煤礦提升機(jī)調(diào)速控制裝置的核心器件。繼電器的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)控制方案簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，利用繼電器、開關(guān)以及周邊電路的簡(jiǎn)單連接即可實(shí)現(xiàn)控制功能。但是，基于繼電器的煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)在不斷的使用中暴露出很多缺點(diǎn)。第一，繼電器控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，從而加大了升降過(guò)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(jī)的動(dòng)能；第三，繼電器控制系統(tǒng)可靠性差，提升機(jī)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(wú)法改裝或拓展。

為了解決繼電器控制系統(tǒng)問(wèn)題，本文將PLC作為核心部件進(jìn)行提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。

基于PLC的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)主要由上位機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用總線與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，主要用于對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，上位機(jī)能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)指令，從而避免發(fā)生危險(xiǎn)情況。主控系統(tǒng)的主要構(gòu)件是PLC，用于接收提升機(jī)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)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(duì)提升機(jī)電機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，避免對(duì)整個(gè)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(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

礦井提升機(jī)控制的關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制電機(jī)的運(yùn)行速度。根據(jù)礦井提升機(jī)的運(yùn)行需求，可以將運(yùn)行狀態(tài)分為5個(gè)階段，即加速階段、勻速階段、減速階段、爬行階段和制動(dòng)階段。當(dāng)提升高度比較低時(shí)，不需要經(jīng)歷爬行階段，此時(shí)只有4個(gè)階段。在運(yùn)行過(guò)程中，PLC能夠控制每個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間，即準(zhǔn)確控制提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行。該過(guò)程需要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 基于DP算法的煤礦提升機(jī)電氣系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

2.1 煤礦提升機(jī)電氣系統(tǒng)總體控制架構(gòu)

PLC的性能強(qiáng)大，功能豐富程度，遠(yuǎn)超繼電器。同時(shí)，PLC的通用性強(qiáng)，在不同領(lǐng)域中均可以發(fā)揮強(qiáng)大的控制功能。不僅如此，PLC的控制精度高、可靠性強(qiáng)且易于拓展。構(gòu)建煤礦提升機(jī)的PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)其進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。PLC的強(qiáng)大體現(xiàn)在其可編程的靈活性。對(duì)煤礦提升機(jī)來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，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(diǎn)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(jì)

當(dāng)煤礦升降機(jī)被發(fā)起多項(xiàng)請(qǐng)求，或煤礦升降機(jī)需要在不同行程點(diǎn)位進(jìn)行?？繒r(shí)，如何處理這些任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、如何配置升降機(jī)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(jī)多任務(wù)的優(yōu)化和求解的典型思路是將該問(wèn)題進(jìn)行拆解和細(xì)分，可以理解為細(xì)分為多個(gè)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(wèn)題執(zhí)行多階段優(yōu)化。

DP算法中的各個(gè)階段可以采用參數(shù)k來(lái)表達(dá)，對(duì)應(yīng)于第k個(gè)階段的狀態(tài)可以用參數(shù)xk來(lái)表達(dá)。一個(gè)階段的優(yōu)化過(guò)程完成后，整個(gè)優(yōu)化問(wèn)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(dá)。據(jù)此，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的這個(gè)復(fù)雜問(wèn)題就演進(jìn)為一個(gè)問(wèn)題所有階段狀態(tài)涉及的判斷規(guī)則設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而構(gòu)建出一個(gè)全局優(yōu)化函數(shù)，如公式（1）所示。

當(dāng)DP算法對(duì)煤礦升降機(jī)進(jìn)行全局優(yōu)化時(shí)，還有一個(gè)非常重要的特征。當(dāng)優(yōu)化過(guò)程推演出當(dāng)前狀態(tài)的對(duì)應(yīng)決策后，后續(xù)各個(gè)狀態(tài)與已經(jīng)發(fā)生的歷史狀態(tài)無(wú)關(guān)，即所謂的DP算法無(wú)后效性。基于該特征，DP算法對(duì)煤礦升降機(jī)多任務(wù)的優(yōu)化過(guò)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(jī)在前一個(gè)階段獲得了被認(rèn)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(diǎn)，那么不再將之前的過(guò)程納入煤礦升降機(jī)后續(xù)控制過(guò)程。該處理保證了煤礦升降機(jī)行程控制、多任務(wù)分階段控制的合理性和煤礦升降機(jī)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(cè)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(jī)電氣控制系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

上文針對(duì)煤礦提升機(jī)的控制需求，進(jìn)行了電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。在硬件設(shè)計(jì)方面，進(jìn)行了以PLC為核心模塊的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)保護(hù)系統(tǒng)、變頻器調(diào)速系統(tǒng)、潤(rùn)換系統(tǒng)、光電編碼器、電機(jī)、卷筒以及減速器等。在軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)和故障3種輸出。本文重點(diǎn)進(jìn)行了時(shí)間冗余、多模塊兼容和棄權(quán)規(guī)則的特殊程序設(shè)計(jì)，并給出了主程序的流程圖。下文將利用試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估其對(duì)煤礦提升機(jī)的控制效果。

第一組試驗(yàn)，檢驗(yàn)提升機(jī)運(yùn)行全周期內(nèi)的速度-時(shí)間變化規(guī)律。當(dāng)提升機(jī)開始運(yùn)行后，會(huì)從0速度逐步加速升至最高速度，進(jìn)而在最高速度保持平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)即將接近目標(biāo)位置時(shí)，提升機(jī)會(huì)逐步降速，最高速度降至中間速度，平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間后，再?gòu)闹虚g速度降至最低速度并停止。提升機(jī)的速度-時(shí)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(jī)的速度變化，整個(gè)運(yùn)行時(shí)間可以分為5個(gè)時(shí)間段。時(shí)間段1是一個(gè)勻加速過(guò)程，時(shí)間段3和時(shí)間段5都是勻減速過(guò)程，這3個(gè)時(shí)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(huì)使提升機(jī)發(fā)生劇烈波動(dòng)，穩(wěn)定性更好。時(shí)間段2和時(shí)間段4均是恒速運(yùn)行階段。最高速度的恒速運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，從而保證了提升機(jī)的運(yùn)行效率。中間速度的恒速運(yùn)行長(zhǎng)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(yàn)，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(jī)運(yùn)行過(guò)程中能耗的節(jié)省情況，所得對(duì)比曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間不斷推移，本文提出的DP控制方法在提升機(jī)的能耗節(jié)省方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。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(wú)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(yùn)輸，需要在礦井中使用提升機(jī)?？梢姡嵘龣C(jī)是物料和人員運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，在確保運(yùn)輸安全的前提下，還需要滿足較大的運(yùn)載量和平穩(wěn)性需求。為此需要更好地控制煤礦提升機(jī)，例如位置控制、速度控制等。本文設(shè)計(jì)了以PLC為核心的提升機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)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(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序和速度控制。試驗(yàn)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(jī)不僅可以平穩(wěn)作業(yè)，而且可以在各速度區(qū)間進(jìn)行合理切換，保證物料和人員的運(yùn)輸效率。

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