聶勇

摘 要：帶式輸送機作為煤礦井下的主要生產(chǎn)運輸工具，由于其運輸距離長、運量大，長期高負荷運轉(zhuǎn)下易發(fā)生機械故障。特別是采用傳統(tǒng)的控制方式會造成帶速頻繁改變，導(dǎo)致輸送機電機頻繁啟停，損害電機縮減使用壽命。本文結(jié)合帶式輸送機的運行特點與工作原理，基于PLC和模糊控制的基本原理設(shè)計了帶式輸送機智能調(diào)速控制系統(tǒng)，試驗取得良好效果，提高了帶式輸送機運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機;智能控制系統(tǒng);PLC模糊控制;非線性控制

帶式輸送機具有運輸距離長、運量大和運行效率高等特點得到廣泛應(yīng)用，是煤礦井下的主要生產(chǎn)運輸工具。在實際生產(chǎn)運輸過程中由于運輸量不穩(wěn)定，運行速度固定不變，在運輸量小時易導(dǎo)致帶式輸送機空載，電機的頻繁啟停還會損害電機[1]。為提高帶式輸送機的運行穩(wěn)定性，采用PLC和模糊控制算法來提升對電動機的精確控制，系統(tǒng)節(jié)能顯著，運行安全穩(wěn)定性高，達到節(jié)能減排目標(biāo)。

1 智能控制系統(tǒng)的組成

帶式輸送機因其運輸距離長、負載大在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用。煤礦井下的帶式輸送機是由雙滾筒多電機進行驅(qū)動，進而滿足長距離、高負載的要求。但煤礦井下復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致電動機控制方案老舊，對控制設(shè)備要求高，常采用傳統(tǒng)防爆設(shè)備進行簡單控制，從控制效率上并不能配合電動機進行高效工作。以帶式輸送機為研究對象，重點研究其在該領(lǐng)域的應(yīng)用，為帶式輸送機的研究與發(fā)展提供一些參考與借鑒[2]。

智能控制系統(tǒng)的設(shè)計。帶式輸送機的控制核心在于PLC可編程邏輯控制器。由主站上位機通過Profibus-DP總線進行與從站通信，通過RS485與變頻器進行通信，由變頻器控制帶式輸送機的電動機運行。

2 模糊控制理論

模糊控制器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊的3個部分。E和EC分別為e和ec模糊后的模糊量;U為模糊控制量;u為U解模糊化后的精確量。Ke、Kec、Ku分別為e、ec和u的模糊化因子。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計主要有下面幾步完成。

2.1 建立模糊控制規(guī)則庫

模糊控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分組成。模糊控制算法在實際工程中硬件主要包括處理器的參數(shù)、系統(tǒng)通訊等;軟件則主要包括算法的邏輯及實際編程語言的實現(xiàn)。模糊控制規(guī)則：If E is A and E is B，Then U is C.其中，A、B、C均為模糊集中的元素。

2.2 輸入模糊化

本設(shè)計將帶速偏差e與帶速偏差變化率ec作為模糊控制算法的輸入量，由以下公式計算：

通過對模糊子集的匹配，本文假設(shè)把模糊變量E，Ec以及U分為5擋，即正大（PB）、正?。≒S）、零（ZO）、負?。∟S）、負大（NB）?；趯δ：惴ǖ恼{(diào)試經(jīng)驗，選取三角形隸屬函數(shù)，本文將U、E、Eec分為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}7檔，則共有49條模糊控制規(guī)則。

2.3 輸出反模糊化

根據(jù)模糊規(guī)則表，由模糊推理合成規(guī)則，可得到如下關(guān)系：U=（E×Ec）×R，以此得到模糊控制量如表所示。得到模糊控制量U以后，再將U乘以Ke于是得到精確控控制量，u再經(jīng)過D/A（數(shù)字量/模擬量）轉(zhuǎn)換模塊輸出對執(zhí)行機構(gòu)精確控制。

3 模糊算法的實現(xiàn)

3.1 西門子S7-300可編程邏輯控制器

帶式輸送機的電動機控制多采用西門子PLC S7-300型號，以下討論模糊控制算法在PLC中的應(yīng)用。可編程邏輯控制器PLC是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的專用型微型計算機，其硬件結(jié)構(gòu)與邏輯跟計算機基本相同。通過其官方的博途V3進行程序的編寫和上傳，通過結(jié)構(gòu)化程序編寫進行實現(xiàn)設(shè)計的功能。PLC的編程語言有梯形圖（LD）、指令表（IL）、功能模塊圖（FBD）、順序功能流程圖（SFC）等。PLC也可以通過通信電纜進行和上位機或者下位機進行通訊，從而實現(xiàn)遠程可視化控制。

3.2 程序設(shè)計流程圖

模糊控制算法可以通過梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)。在模糊控制系統(tǒng)中，采用西門子公司的S7-300型PLC，PLC通過輸入端子采集信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由中央處理器進行處理，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換將信號送至輸出端子控制執(zhí)行機構(gòu)。模糊控制設(shè)計流程圖如圖2所示。

3.3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

首先，將量化因子寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，然后利用A/D模塊將輸入量采集到PLC的DM區(qū)，經(jīng)過限幅量化處理后，根據(jù)它們所對應(yīng)的輸入模糊論域中的相應(yīng)元素，查模糊控制查詢表，在乘以輸出量化因子即可得到實際值，由D/A模塊輸出。

在模糊控制算法中，模糊控制量表的查詢是程序設(shè)計的關(guān)鍵。本文將模糊論域的元素{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}轉(zhuǎn)換為{0，1，2，3，4，5，6}，采用基址+變址的尋址方式將模糊控制量表中的U的控制結(jié)果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC的數(shù)據(jù)寄存DB區(qū)中。控制量的基址為100，其偏移地址為ec5+e，所以根據(jù)ec和e最終得到的控制量地址為100+ec5+e。

4 防真效果分析

使用MATLAB集成的模糊邏輯工具箱針對井下輸送機的不同負載情況應(yīng)用本設(shè)計的模糊PID算法和傳統(tǒng)經(jīng)驗PID算法進行系統(tǒng)仿真比較，得到相應(yīng)曲線如圖3所示。通過仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的模糊PID控制算法系統(tǒng)超調(diào)小，響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性高，各方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制，達到了針對井下輸送機負載條件的控制要求，能夠更加智能地控制輸送機電動機的運轉(zhuǎn)，進而也達到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

5 結(jié)論

針對井下帶式輸送機智能控制的運行工作特點，運行控制采用恒速運行，效率低下問題。PLC和模糊控制的基本原理，設(shè)計了由可編程邏輯控制器（PLC）為主要核心控制中心的模糊PID智能控制系統(tǒng)。對PLC系統(tǒng)的硬件組成、模糊算法的基本原理、以及針對常規(guī)PID規(guī)則優(yōu)化的模糊算法規(guī)則、系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了詳細的闡述。通過MATLAB工具進行了本設(shè)計的模糊PID算法和常規(guī)PID算法應(yīng)用在輸送機調(diào)速上的對比，驗證了本設(shè)計系統(tǒng)效能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)井下多級帶式輸送機根據(jù)不同負載智能調(diào)節(jié)帶速，提高帶式輸送機的運輸效率，傳輸效率的提高，響應(yīng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

參考文獻：

[1]陳慧，陸榮.基于PLC和模糊控制的帶式輸送機聯(lián)動控制研究[J].煤礦機械，2013（02）：207-209.

[2]楊光輝，安琪.多機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡模糊控制方法[J].工礦自動化，2014（03）：69-73.