矿井提升控制系统的设计与研究.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 矿井提升机作为井下与地面的运输扭带， 主要用 于井下与地面的运输， 一方面是为井下输送工作人员 以及工作面开采需要的设备和物资， 另一方面是将井 下的矿物及矸石传输到地面。 作为开采生产中一个必 要环节， 对于提升控制系统的高效对于提升机的运输 极为重要。 由于传统提升机的控制系统一般是通过异 步电动机来实现提升机的提速。 这种方式是通过改变 串入电阻阻值来完成调速的目的， 然而这种调速模式 有着诸多问题， 不够安全可靠， 设备占地面积大， 维修 麻烦， 这种调速模式已经跟不上时代的步伐， 亦不能 满足煤企生产， 已经逐步被淘汰， 因此高效可靠地提 升控制系统对于煤企生产有着重大意义。 本文基于 PLC 对矿井提升系统进行控制，对控 制系统硬件进行了自动化优化设计， 实现了对矿井提 升运输机的智能化控制。 1调速原理 对于提升机的提升速度、 加 / 减速度、 提升距离 都与提升时间存在一定对应的关系， 提升机工作的时 候， 速度具有一定的规律， 通过绘制提升机速度和时 间相对应的图来描述这一规律， 这种图形称之为提升 机速度图 1。 图 1提升机速度图 在图 1 的提升机速度图中， T0 为提升机起始加速 阶段， 经过一段时间后进入主加速阶段 （T1） ， 在 T2 阶 段即提升机的等速阶段速度平稳运行， 随后进入 T3 减 速阶段， 经 T5 减速阶段后进入 θ 停车阶段， 转速的调 节可由电机的频率大小来实现， 其调节关系式如下 n 60f （1-s） p （1） 式中 n 为转速； f 为供电频率； s 为转差率； p 为 磁极数， 就可以得出电机转速。 2系统硬件设计 变频器及 PLC 是提升机提升系统的核心的部 矿井提升控制系统的设计与研究 王晶 （山西霍宝干河煤矿有限公司 ， 山西 临汾 041602） 摘要 提升运输机作为地面与井下的媒介， 将工作人员以及井下所需的设备和物料传送到井下， 矿 井提升是采煤过程中必不可少的环节， 关乎整个矿井的生产， 为提高提升效率， 设计了基于 PLC 的矿 井提升系统， 以 PLC 为整个系统的核心， 将模糊自适应整定 PID 算法运用在矿井提升控制系统中。经 研究表明， 该系统在提升过程中， 实现了良好的控制， 效率更加明显。 关键词 矿井提升 ； 控制系统 ； PLC ; PID. 中图分类号 TD633 文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020） 05-0137-04 Design and Research of Mine Lift Control System WANG Jing （Shanxi Hobao Ganhe Coal Mine Co., Ltd. ， Linfen 041602 ， China） Abstract As a medium for underground and underground transportation, the lifting conveyor transports the workers and the equipment and materials required for underground to the underground. The mine lifting is an indispensable part of the coal mining process. It is related to the production of the whole mine and designed to improve the efficiency. Based on the PLC-based mine lifting system, PLC is the core of the whole system, and the fuzzy adaptive tuning PID algorithm is applied in the mine lifting control system. The research shows that the system achieves good control and efficiency is more obvious during the lifting process. Key words Mine lifting ; control system ; PLC ; PID. 137 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 件。 通过利用型号为 S7-300 的 PLC 中的功能模块进 行数据采集与分析计算， 发出控制指令， 信号模块有 数字量和模拟量两种类型，用于接收信息和发送指 令。 S7-300 中的 Moudbus 模块为通信模块， 通过对其 参数的设定可实现远程操控的需求。 图 2S7-300 硬件组成图 系统 I/O 接口分配，开关量输入输出分别有 140 和 69 个， 开关量输入输出备用 12 和 5 个以防不时之 需。模拟量输入输出分别有 6 和 2 个。 变频器由主回路和控制回路为其主要结构部分， 本文所选用的变频器型号为 JD-BP37/38，该变频器 性能比同类产品更高， 如互换功能， 瞬时停电再启动 功能等， 支持 MODBUS 和 PROFIBUS 协议， 最大的特 点是该变频器运用了最新技术， 对于电机输出转速的 控制是通过电压矢量和载波移相技术调节电机的频 率使得电机的转速发生变化来实现的。 3系统软件设计 3.1PLC 程序 PLC 程序编写在 STEP7 操作， STEP7 程序以块 来呈现， 方便用户调试修改， 编写不同功能的块， 在主 程序中直接调用， 同时也存在不同的子程序， 一起构 成整个程序， 整个系统设计的流程图如图 3 所示。 图 3系统设计流程图 3.2安全保护模块 提升机在运行过程中， 会由于现场环境可能出现 故障，所以提升机电控系统必须要有安全保护措施， 目前常见的故障主要有变频器故障、 过速、 过卷、 弹簧 盘疲劳等等， 就有相应的保护， 通常安全模块的设计 流程如图 4 所示。 图 4安全模块设计流程 3.3模拟量模块 控制系统的控制流程一般为， 传感器将收集的数 据信息传到控制系统，控制系统将这些数据传输到 PLC 中的 CPU 模块进行信息处理最终发出匹配的指 令， 就会涉及到模拟量信息和指令， 所以模拟量模块 的设计至关重要， 模拟量模块设计流程如图 5。 图 5模拟量模块设计流程 3.4上位机程序设计 人机界面是人与计算机之间传递、 交换信息的媒 介和对话窗口[3]， 为了方便现场使用， 必须设计合适的 人机交互界面。 在界面上需要做到显示提升机运行的 状态和参数， 监测参数， 及时发现故障， 并能做出警 示。本次设计选用 MCGS 进行人机界面的制作， 初始 化界面如图 6，除此以外界面中还包括了故障画面、 提升机参数等等， 可以点击相关按钮进行查看。 图 6人机交互初始化界面 4模糊自适应整定 PID 在提升机系统中的 运用 138 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 4.1模糊控制原理 对于运用的智能控制方法是借由模糊控制理论 体系实现的。所谓模糊控制是依托模糊理论、 语言及 逻辑为基础的一种控制。 其原理类似于人处理事件时 所作出的判断和决定， 只要是通过学习前人的经验和 比较专业人士的理论， 将其设定为相应的规则同时将 采集的数据模糊化， 经过对模糊信号的传输、 处理、 输 出一系列动作， 最终实现模糊控制。模糊控制原理图 如图 7。 图 7模糊控制原理图 4.2模糊自适应整定 PID PID 对于线性系统有着较好的控制， 所以 PID 在 工业控制系统中应用很多， 对 PID 控制影响的有三个 参数分别是比例调节系数、 积分调节系数、 微分调节 系数， 这三个参数分别在 PID 控制中起不同的作用。 比例调节系数改变系统响应时的速率， 积分调节系数 用于在系统出现稳态后， 消除误差， 微分调节系数通 过修正误差的改变趋势，使得 PID 控制有更好的效 果。 最优控制是将模糊控制与 PID 控制的整合， 通过 控制系统的融合使得模糊自适应整定 PID 更加高效。 要想在工业中良好的运用模糊自适应整定 PID， 首先 对工艺流程非常熟悉， 搭建需要的模型， 收集相关领 域专家的知识和现场工人师傅平时操作经验， 整理专 家知识和现场经验， 做出相应的控制规则， 并将规则 模糊化， 最后完成 PID 三个参数最优调整， 从而实现 现场的最优控制。 图 8模糊自适应整定 PID 结构 为了比传统 PID 控制更加高效， 更好的应用于矿 井提升系统。根据模糊控制规则对输入 量 E （误差） 和 EC误差变化率的参数整定， 优化其参数。模糊自 适应整定 PID 结构如图 8， 将 E （误差） 和 EC误差变 化率参数进行模糊化处理， 便于智能系统的控制。 控 制器对模糊信号进行推理后，会通过模糊处理将PID 参数进行整定最终得出三个参数的修正量。 结合参数 修正量与 PID 参数初始量， 得到新的参数， 即为整定 PID 参数。 4.3模糊自适应整定 PID 控制器设计 确定控制器结构是设计模糊自适应整定 PID 控 制器的首要任务，其中输入量为 E 和 Ec，输出量是 PID 参数的修正系数， 最后将其结构在 Matlab 仿真模 块中的用 fuzzy 指令对控制结构的构建。 第二步， 确定 模糊集和论域，本次设计中将模糊集分为 7 个等级， 分别是 NB、 NM、 NS、 ZO、 PS、 PM、 PB， 相应的论域{-6、 -4、 -2、 0、 2、 4、 6},。第三步对控制器隶属度函数的确 定， 采用高斯型隶属函数作为输入量， 采用三角形函 数为控制器的输出量。 最后一步， 确立控制规则， 根据 专家知识和工人操作经验， 根据误差实时反馈设计出 极大减小误差的控制规则。 4.4模糊自适应整定 PID 实现方法 本次控制系统选用 S7-300PLC， 较难编写模糊控 制规则， 在 STEP 7 中编辑隶属度函数比较困难， 所以 较难实现在线进行控制， 而对于离线控制是容易实现 的。将控制语言整理成特殊的存储格式， 将其储存在 型号为 S7-300 的 PLC 存储器中。 在控制系统运行的 时候通过对调用寻址的方式将 PID 参数传输到控制 器中。从而实现系统的整体控制。 5结语 分析目前煤矿提升系统，发现了现在系统消耗 高， 故障率高， 控制不灵活的问题， 为了解决当前问 题， 提高矿井提升系统的效率， 根据提升机调速原理， 设计了一种基于 PLC 的控制系统，用模糊自适应整 定 PID 控制方法， 通过模糊控制和 PID 控制相结合， 大幅度增加了提升系统的性能。 对于本系统在矿井提升中的应用， 充分的证实本 系统与传统的模糊控制和 PID 控制单一控制相比， 该 提升系统性能更加优良， 对于实际应用前景更宽范。 参考文献 [1] 李良光.煤矿交流提升机双馈调速系统起动模式研究[D]. 中国矿业大学， 2011. [2] 刘豫喜. 刘建英，提升机的速度和位置控制算法[J].2014 （05） 37-38. （下转第 142 页） 139 （上接第 139 页） [3] 蒋求生. 基于 MPI 协议的矿用提升机电控系统设计与应 用[D].湘潭大学， 2016. [4] 成梦玲.矿井提升机智能网络控制系统研究[D].江苏科技 大学， 2014. [5] 阎虎民.基于模糊整定 PID 的直流电机调速系统研究[D]. 天津大学， 2013. 作者简介 王晶 （1990-） ， 女， 山西临汾人， 2010 年 7 月毕业于山西 煤炭职业技术学院矿山机电专业， 助理工程师， 现从事煤矿 安全管理工作。（收稿日期 2019-11-11） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 喷洒水的样品抑尘率只有 28左右；同样喷洒水和 结壳抑尘剂， 在相同风速下， 泥土的抑尘率总是偏高 于煤粉， 作者发现泥土里含有大量细颗粒砂石， 这导 致泥土的整体密度较大， 在于水和结壳抑尘剂形成的 表层结构更加密实。 因此该结壳抑尘剂具有良好的抑 尘性能， 覆盖在表面成壳能够有效防止扬尘。 图 4结壳抑尘剂抑尘性能 2.5生态性实验 在生态降解实验中，培养皿自然条件中的水分、 空气、 微生物生物等的共同作用下， 结壳抑尘剂逐渐 分解， 质量逐渐损失， 分析图 5 得知， 在 20 天以前质 量损失较小 （8.21） ， 但是在 20 以后质量损失率变 化较大 （26.90） ， 一直到 40 后质量损失率趋于平缓 （2.71） 。这是由于在 20 天以前样品表面及内部开 始生长菌落， 20 天到 40 天内菌落开始大量生长， 逐 渐分解该结壳抑尘剂。通过显微镜观察菌落表面， 该 菌落是丝状，作者初步判定大部分菌落为放线菌， 通 过与放线菌电镜图片比对具有一致性。 综上能够说明 该结壳抑尘剂具有可降解性， 对周围环境友好， 具有 较好的生态环保性。 图 5降解程度 3结论 本文通过 HEC 与 AM、 PVA 在双引发体系下， 以 MBA 作为交联剂，通过添加十二烷基苯磺酸钠和无 水 CaCl2进一步提高产物性能，制备出成壳性好、 耐 候性强、 抑尘效果显著环境友好型结壳抑尘剂。扫描 电镜观察了产物内部结构在结壳抑尘方面具有优越 性能。经过正交试验得出该产物最佳配比； 通过性能 测试实验进一步验证该结壳抑尘剂的作用效果， 并且 可降解具有较好的生态环保性， 有望在朝凯露天煤矿 展开实践应用， 并且本文思路也为山西忻州神达朝凯 煤业有限公司化学抑尘起到了抛转引玉的作用， 为企 业的可持续发展提供了新思路。 参考文献 [1] 李昭水,李帅龙,李斌.矿用新型防灭火凝胶的制备及性能 研究[J].煤矿机械,2018,39 （09） 46-48. [2] 孔维青. 玉米秸秆基新型固沙抑尘剂的合成及其应用研 究[D].北京化工大学,2016. [3] 刘博,张明军,文虎.煤尘抑尘剂的研究应用现状及发展趋 势[J].煤矿安全,2018,49 （08） 206-209. [4] 寇云鹏,齐兆军,宋泽普,杜加法,杨纪光.全尾砂高浓度充 填料浆流变特性试验研究 [J]. 矿业研究与开发,2018,38 （12） 32-35. [5] 韩文明.凝胶阻化剂防灭火技术[J].内蒙古煤炭经济,2018 （22） 97134. 作者简介 白志华 （1989 年 1 月 -） ， 男， 汉族， 山西宁武人。2009 年 毕业于天津渤海职业技术学院，生产过程自动化技术专业， 现中国矿业大学， 采矿工程本科在读， 工程师职称； 现就职于 山西忻州神达朝凯煤业有限公司安全检查督查科， 科长。 （收稿日期 2019-11-9） 142