基于模糊算法的煤矿皮带PLC控制系统设计

陶红

摘 要 针对矿井运输系统运输量大、运行线路长、巷道狭窄、环境恶劣、线路复杂等特点，本文设计了基于模糊算法的煤矿皮带PLC控制系统，该系统采用可编程逻辑控制器PLC，实现数据检测、采集、监控及控制功能。利用模糊控制简化系统动态，适用于更加复杂的被控对象，而且不需要被控对象的数学模型即可实现较好的控制，实现对皮带机速率的调节，达到理想运载速度。

关键词 煤矿 皮带 模糊控制 PLC

一、绪论

中国作为第一大产煤国，通常以带式输送机的皮带运输系统作为主要运输工具，实现了煤矿井上和井下的统一运输。皮带运输系统已经成为煤矿生产的重要一环，特点为结构简单、易于实现、运输量大，同时具有较高的安全性能，这种成熟的运输系统大大提高了煤炭产业的生产效率和经济效益。

我国矿井深度普遍在500米，大型矿井深度已经达到1000多米，矿井深度的加深，直接导致了矿井运输系统线路过长、转载环节过多、岗位过多、环境恶劣等问题，这些问题将直接影响运输系统的稳定及安全性，并且关系着矿井工作人员的人身安全以及企业效益。本文综合应用计算机技术、传感网技术、网络通信技术、工业自动化技术与控制理论，设计了针对皮带运输系统的PLC控制系统。

二、皮带控制系统组成

皮带运输集控系统通过对皮带运输煤矿的生产过程及废矸石在运输过程中的运输状况、环境参数、设备信息等参数实行集中监视和控制，集成了煤炭运输、实时通讯、故障监控、设备保护功能，最终实现皮带运输的无人值守。PLC控制系统可以独立地运行，也可以接入煤矿自动化综合系统实现统一控制。为实现井下各层之间稳定、可靠的通信，本系统将检测和监控统一结合，优化了程序的运行、执行和调度，提高数据采集和传输效率。针对太平煤矿皮带集控系统的设计，综合考虑矿井现场环境并结合实际需求，采用先进的技术和设备，并配合现有成熟稳定的集控思路，完成系统方案的设计与规划。以下是系统设计的基本要求：

第一，稳定性。确保检测和监控连续不间断，可靠且稳定地运行，保障工业生产安全进行。

第二，先进性。整个系统保持一定的先进性，采用领先的设备和技术，保证系统的高效稳定运行，符合当前技术和管理方向。

第三，可扩展性。系统当前设计具有一定前瞻性，还保留系统的可扩展性，能够适应不断增加的扩展需求。

第四，实时性。保证系统能够及时处理皮带传输系统、传感系统产生的数据，保证数据的时效性，保障安全生产。

三、控制系统设计

（一）PLC控制系统设计

相比于其他PLC，SIEMENS公司生产的S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7-300具有较强的控制功能和运算能力，成本适中，它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函數、指数和PID运算。它采用模块化结构且速度快，输入输出模块的数量与种类比较多，而且具备软冗余和硬冗余功能，模块支持热插拔，使得整个系统性能可靠，维护方便，具有较强的控制功能和运算能力，性价比高。考虑到煤矿运输区较为恶劣的环境以及对矿用设备控制的复杂性与安全性，所以，本系统采用SIEMENS 公司的S7-300系列的高端工业 PLC 作为控制处理器，采用主分站的分布模式，利用工业以太网实现主分站之间数据的高速稳定的实时交换。S7-300 采用模块化结构，主要部分由 CPU 模块、电源模块、扩展模块以及必要的通信模块组成，根据具体需求，本系统在主站主要安放了PLC的CPU 模块与电源模块。

（二）模糊算法设计

模糊控制器作为本系统控制的核心，设计的优劣直接影响到最终控制效果的好坏。在煤矿运输实际操作中，皮带运输机的启动与运行速度会受到运载煤料的影响，速度变化会具有非线性、时变性、滞后性等特性，建立数学模型会相对困难。模糊控制适用于非线性控制，尤其是对复杂多变的被控对象，不用为其系统建模，就可以对皮带机进行调速稳速，达到理想的运载速度。

本系统通过速度传感器获取皮带的带速V，并把值传递给控制器，然后，控制器把系统设定的带速V0与V进行比较，获得速度误差值e和误差变化率ec，控制器将e和ec进行模糊推理与计算后得出模糊控制变量ux，可得到相应的模糊控制查询表并存储在PLC内部。再找出对应的模糊控制实际输出量u，u与V对应的控制输出量uv进行叠加运算就得到实际的控制量u。利用D/A转换模块把数字量转换为控制电流以控制变频器的供电频率f1，调节电机转速，最终实现皮带的调速稳速。在这个过程中，查表是为了减少在线计算量，提高运行效率，将该模糊控制表置于 PLC，供实时控制时使用。

由仿真结果可以看出，相比于PID控制，模糊控制在电机启动时超调量更小，调节时间更短，响应速度更快；而当有负载扰动的情况下，只需要 0.20秒就能快速地回到设定的稳定值，PID控制则需要0.33秒左右。也就是说，模糊控制调速的效果比PID的控制效果更优。

四、结语

煤料的运载会对皮带运输机的启动与运行速度造成影响，速度变化会有非线性、时变性、滞后性的特性，建立数学模型困难。本系统通过模糊控制，并采用SIEMENS公司S7-300系列的高端工业PLC作为控制处理器，使用主分站的分布模式与工业以太网的数据实时交换，实现了煤矿皮带速度的实时、稳定、高效控制。

（作者单位为鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司唐家会矿）

参考文献

[1] 王晓秋.矿用胶带机保护系统设计[J].科技与企业，2011（10）：148.

[2] 马驭.基于PROFIBUS网的皮带机集控系统的研究[D].安徽理工大学，2012.