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摘要：目前煤矿皮带运输机的运行主要以恒转速模式为主，当运煤量出现变化时皮带机转速无法与其相匹配，造成运行过程不平稳及电能损耗较大等问题。在变频控制技术的基础上采用模糊控制设计了一套以PLC为控制核心的矿用皮带运输机双CPU冗余自动控制系统，在实现皮带运输机转速自适应调节的同时，通过双机冗余结构有效提高了系统的可靠性，保证了皮带机高效经济可靠运行。
关键词：皮带运输机；自动控制系统；硬件；软件
0引言
煤炭转运是煤矿生产作业中十分重要的一环，由于井下输送线较长，且地形较为复杂，煤矿普遍采用输送距离长、运煤量大、结构简单可靠的皮带运输机完成煤炭输送作业，因此，皮带运输机的高效可靠运行是提高煤矿产量、降低运输成本的保障。目前大部分矿用皮带运输机却采用变频控制方式，即通过大功率高压变频器实现皮带机的软启动，但该控制方式无法根据运输量对皮带运输机转速进行实时动态调节。当皮带运输机在某一时段处于空载、轻载或重载状态时，其转速均维持在设定值，造成电能损耗严重、传动机构磨损加剧等问题。针对上述问题，最有效的解决办法就是通过更加有效的控制策略对皮带运输机的运行过程进行自适应控制，使控制系统具备随当前煤量实时调节驱动滚筒电机功率的功能，从而达到皮带运输机带速连续调节的目的。根据上述分析，本文通过引入皮带秤、带速传感器等传感设备对煤流量及带速进行实时监测，由PLC根据上述参数对变频器输出进行实时调节，从而实现皮带机的变频调速［1］。在此基础上，本文通过对模糊控制器的设计进一步提高系统控制精确度，使得变频控制系统的控制精度及调速性能有效提升。
1皮带机自动控制系统总体方案设计
本文采用模块化架构对整个控制系统进行设计，将系统按照不同功能划分为不同模块［2－4］。系统主要功能模块包括监控上位机模块、PLC主控模块、监测保护模块、参数检测模块、执行机构模块及通讯模块，皮带机自动控制系统整体结构如图1所示。由图1可知，PLC主控模块为该系统的控制核心，其主要功能是对监测保护模块及参数检测模块中各传感器所采集的皮带运输机重要运行参数进行收集并实时上传至监控上位机中同时接收来自上位机的控制及报警等指令并控制执行机构模块实现相应调速控制等操作。为了进一步提高系统的运行可靠性及控制效果，本文在传统单CPU控制器的基础上采用双机热备冗余技术，通过额外添加一套主控器CPU、电源模块及通讯模块，实现一主一备双CPU运行，PLC主控模块双CPU热备冗余控制结构如图2所示。当系统正常运行时，主控系统CPU负责对整个系统进行控制，备用CPU系统处于热备用状态；当主控CPU系统发生故障时，备用CPU通过两者间的通讯模块接收到故障信号后能够实现无扰动实时同步切换，保证皮带运输机及其控制系统继续运行。两台主、备PLC通过CP343－1通讯模块连接至以太网与上位机进行通讯，同时通过MPI网络实现主、备CPU数据信息同步［5－7］。两台主、备PLC通过Profibus网络与I／O分站模块进行通讯，I／O分站负责各类数字及模拟量信号的传输，实现运行数据及控制指令的实时交互。
2硬件方案设计
本系统硬件主要包括PLC主控模块、参数检测模块及模糊控制器的选型设计，为了保证系统的控制效果及运行可靠性，上述主要功能模块的硬件性能及设计合理性至关重要
2.1PLC主控模块选型设计
PLC主控模块设计内容主要包括CPU模块、I／O分站、通讯模块及电源模块等重要组成模块的选型［8］。本文综合系统对控制精度的要求及经济性考量，选用S7－300型PLC作为系统的主控核心，其CPU选为315－2DP，其CPU处理速度较快，位运算最小值可达0.05μs，浮点运算最小值可达0.09μs，同时具备丰富的数字量及模拟量输入输出接口、高速计数器、PWM输出接口及可支持通讯协议。通讯模块选用CP343－1，可将PLC连接至工业以太网，同时还可作为ProfinetI／O设备。电源模块选用PS307，5A，其输入为AC120／230V，输出为DC24V／5A，可满足主控器的供电需求。I／O分站模块选用ET200M，采用双IM153接口，可用于与ProfibusDP现场总线的链接，最多可扩展8个I／O模块，数据传输速率最大为12Mb／s。
2.2模糊控制器设计
为了进一步提高皮带机控制系统的控制精度及抗干扰性，本文采用模糊控制算法对系统的控制信号进行精确度提升，模糊控制系统原理如图3所示。模糊控制器的工作过程主要由四个环节构成，首先系统将皮带机额定转速设为输入值r（t），然后与带速传感器所采集的系统输出值y（t）进行比较并输出二者偏差量e及偏差率ec。e与ec作为模糊控制器的输入量经模糊化后转变为相应模糊量，以知识库所建立的模糊控制规则通过查表的方式对模糊量进行推理计算，所得到的相应模糊控制量经去模糊化后即可输出变频器可接收的精确控制量，进一步对电动机进行调速控制。2.3参数检测模块选型设计参数检测模块的硬件主要包括带速传感器、皮带秤及电参数采集模块三部分，用于实时采集皮带运输机的运行速度、运煤量及电机功率、电压电流等重要系统参数。皮带秤选用YB－GZK－NT型高精度电子皮带秤，其测重范围为1t／h～5000t／h，测量精度可长期稳定维持在±0.2％，同时具备自动校验修正功能。带速传感器选用矿用GSC4型，其测量精度可长期维持在±0.1％，测量灵敏度可达1％，满足对带速的测量精度需求。电参数采集模块选用EDA9033A型功率采集器，其相电压及电流量程分别设置为10V～500V及1A～1000A，可对皮带运输机运行过程中的电机及变频器的功率、电压、电流进行实时采集。
3软件方案设计
皮带运输机自动控制系统软件部分主要包括PLC主控程序及模糊控制程序两部分。当PLC主程序运行时，首先通过上位机发出开车信号，并启动综合保护程序，通过综保模块对皮带机运行环境进行检查。确保无故障后皮带运输机正常启动，并执行参数测控子程序对皮带机进行带速、煤流量实时采集，上位机控制系统对各参数进行分析处理后向PLC主控器发送控制指令，最终由PLC控制执行机构模块进行相应启停、调速、报警等控制，PLC主控程序流程如图4所示。模糊控制程序流程如图5所示。系统首先通过初始化将控制决策表、量化及比例因子置入PLC主控器中，随后对初始带速进行设定，通过带速传感器所采集的实际带速与初始带速比较计算得到输入偏差量e及偏差率ec，当e与ec超限时，对二者进行量化后进行模糊推理，通过查询规则表的方式对皮带机运行速度根据煤流量进行自适应调节，并维持皮带机电机的功率平衡，维持皮带运输机的最佳节能运行状态。
4结束语
本文通过硬件方案设计选型及系统软件设计在传统矿用皮带机控制系统的基础上采用主控模块双CPU热备冗余结构及模糊控制技术对其进行升级改造，通过双CPU冗余结构有效提高了系统的运行可靠性，通过对模糊控制器的设计进一步提高了系统的控制精度，实现了皮带运输机的带速自适应调节、运行状态参数实时采集监测及故障超限报警等功能。
作者：耿杰龙 单位：西山煤电 官地矿
