基于 PLC 的多中段提升机自适应速度控制及保护方法论文

SCI论文（www.lunwensci.com）:
 
 摘  要 ：基于PLC 的多中段竖井提升机自适应速度保护及速度控制算法，与提升机传动系统，信号系统、上位监控系统相结合 构建出符合矿井提升机安全规程的分布式计算结构并引入设备控制系统。通过优化算法模型并进行实验数据对比，表明在控制 性能、操作简捷及降低设备成本方面具有突出优势 [1]。基于PLC 的多中段竖井提升机自适应速度保护及速度控制算法要远优于 应用传统井筒开关检测方案的控制系统，其大量被控参量在该算法内部执行并优化，并在数据库中建立参考模型，通过实时数 据特征自动调整处理方法、处理顺序、上位监控系统输入极少量的参数即可完成复杂的多中段竖井提升机速度控制及速度保护 曲线的在线动态生成。具有及精准的控制性能和极可靠的保护性能。该算法模型可广泛应用于矿井提升机速度控制及速度保护 系统中。

关键词 ：PLC ；自适应算法 ；参考模型 ；在线算法

矿井提升机是煤矿、有色金属等矿山行业生产过程中的大 型关键设备， 是井下人员与设备通往地面的唯一通道， 其可靠性 和性能直接影响到矿山的高效生产、作业人员的生命安全等。尤 其对于矿井提升机电控系统， 提高提升机系统性能与可靠性， 是 减少矿山事故的关键，其合理的控制逻辑是高效生产的重要影 响因素。矿井提升机主要用于升降人员、矿石和材料等，其分类 多样。本论文主要以按井道（井筒）、停车点分类的竖井多中段 提升机为控制对象，对其全行程的速度控制及速度保护使用自 适应算法，在竖井多中段提升机电控系统实际应用中突显出了 外部检测设备少，生产效率高，运行保护可靠等优点，此控制方 法同样也适用于斜井提升机。

为实现系统的动态性能，通过构建主从式网络拓朴结构，实 现多点并行计算，各子节点完成计算后将结果回传至主节点进 行汇总分析，再将分析后的最优控制指令下发至各个控制单元， 在相同的扫描周期内获得更多的数据样本， 缩短计算时间。

主控 CPU 是主从网络控制系统的主站，完成整个提升机电 控系统的协作控制，是自适应速度保护及速度控制算法的核心。 对传动系统下发控制指令，于传动系统采用 PROFINET 通讯， 操作站是提升机电控系统的操控核心，主要完成提升机行程计 算并将运算结果传送至主控CPU。信号CPU 除处理提升信号外， 还完成最优行程规划功能， 并能屏蔽错误信号， 将运算数据发送 给主控 CPU 完成传动系统的控制。


1  自适应速度控制及保护原理

以 13 个提升中段，7 种运行速度（不含爬行速度、检修速度 等低速） 的提升机为例 ；对于每个中段而言，无论是提升或下放 作业时， 到任一目标中段的运行速度都有出现这 7 种速度中某一 特定速度的概率，而提升作业与下方作业时又对应不同的上与 下减速点，因此，系统会存在 168 个减速点。而自适应算法依据精确的罐笼位置数据，采取程序算法计算出每个精准的减速点， 从而取代掉繁多的硬件检测设备。

自适应算法的核心思路就是建立 7 种提升机下放运行的速 度参考模型， 依据开车信号搜索系统全局最优解的方法。其直接 目的就是达到 ：①让提升机在特定行程范围内以安全的速度运 行。②为各种运行速度选择最优减速点， 保证安全减速距离的前 提下， 尽量缩短减速距离， 达到高效生产目的。

为此，首先，传动系统需具备调速范围宽、动态响应块、控 制精度高的特点，我们优选主从结构的双闭环直流调速传动方 案来驱动一台直流电机， 本文不再复赘。

其次，为了提高速度控制和速度保护曲线的精确度，首先要 有较快的采样时间， 其次要有精度较高的样本。为此我们采用了 S71500 系列的高性能 CPU 作为主控PLC，选用高精度增量式脉 冲编码器及高速计数模块 , 并增加倍频计算功能来计算罐笼位 置。这样就具备了自适应控制的基础环节， 可以更加快速地掌握 设备最新状态， 提高控制的实时性。

最后为确保位置计算的可靠性，分别在滚筒与天轮上各安 装一只编码器， 对计算结果进行实时比较。

1.1  行程计算原理

行程计算时，机械结构特性、钢丝绳缠绕层数变化引起的滚 筒直径变化、每层钢丝绳缠绕圈数不同等所带来的误差性问题都 是需要考虑的关键因素，是控制系统最基本也是最重要的参数， 为解决这一问题，我们采取分层累积算法，利用该算法我们成功 地解决了行程控制中因钢丝绳均匀性差异导致误差的问题。

该算法的具体计算流程如下 ：

第 一 步， 根 据 设 备 设 定 3 个 参 数 的 取 值 区 间。 设 KP ∈ [p1,p2]，KI ∈ [i1,i2]，KD ∈ [d1,d2]。

第二步， 依据外部检测信号计算运行距离 ：

               

式中滚筒直径 D, 钢丝绳直径 d，缠绕层数 K_p，每层钢丝绳 圈数 K_d，机械系数 K_t, 脉冲数 P。其中 K_p 的取值由 K_d 及外部信 号决定。

这样， 我们就得到了精度较高的提升机罐笼位置数据。

1.2  速度曲线计算

在提升机提升 / 下放运行前，信号系统所发出开车信号后， 主控PLC 程序依据加速度、运行距离提前经函数运算，生成速 度图。信号系统发出运行命令后， 判断本次运行所允许运行的最大速度 ：当本次提升距离大于 S1 时，提升机系统设定提升容器以最大速度V1运行， 当本次提升距离小于等于S1，且大于S2 时， 提升机系统设定提升容器以最大速度V2 运行，当本次提升距离 小于等于 S2，大于 S3 时，提升机系统设定提升容器以最大速度 V3 运行，如此往复，根据设计及工况需要，由运行距离确定出 本次提升的最大运行速度Vmax1 ；再通过提升种类（如矿石、人 员、检修等），确定出另一种最大速度Vmax2。两种最大速度相 比较， 取较小的一个速度设定为本次提升的最大速度Vmax。

根据呼叫提升容器的水平，确定本次运行的终止点 d ；根据 此时提升容器的深度，确定本次提升的起始点 o ；按照工况要 求，手动输入提升容器的爬行距离D ；依据图2所示，根据不同 的最大速度、固定的最大加速度、固定的最大急动度，程序计算 不同的加速距离A 及减速距离 C，如式2所示。

         

式中 ：a_max  为传动装置所设定的最大加速度。
           为传动装置所设定的最大急动度。
       
不同行程的理论运行速度。设加速段速度曲线为Voa, 减速 段速度曲线为Vbc, 等速段速度为定值Vbc, 通过如下函数计算， 对应出不同位置的理论运行速度 ：

                    

对于本文 7 种速度的提升机，需计算出 7 种速度图模型，并 将其存储于数据库中，作为不同行程范围的速度控制及速度保 护的参考模型。

1.3  速度控制自适应算法

为了实现多中段竖井提升机在不同的行程范围能以最优速 度图为模型运行，根据提升信号的特征自动调用速度图模型和 速度控制处理顺序， 结构特征相适应， 差别仅在于等速段的距离 差异， 可以根据外部信号调整， 以取得最佳的处理效果。

自适应控制系统由 1.2 节计算出的速度图模型、速度给定的 输出、反馈控制器和调整控制器参数的自适应机构等部分组成， 包括内回路（主控程序） 和外回路（开车信号） 两个回路。内环是 由被控对象和控制器组成的普通反馈回路，而控制器的参数则 由外回路调整。参考模型的输出直接表示了对象输出应当怎样 理想地响应参考输入信号 S。

当输入 s 同时加到系统和模型的入口时，运行系统的输出y响应由开车信号确定的速度图模型模型yt，由于不同行程范围 的组合方式繁多，模型yt与输出y不一定一致，结果将产生偏差 信号 e, 且此偏差仅为等速段距离的偏差，由自适应程序机构监 视此参数的实时变化， 并当出现故障中段时， 依据开车信号的变 化具有修正输出y 功能，当系统输出y=yt 时，系统按照速度图模 型运行。

1.4  速度保护曲线

在理论运行速度不大于判断出的最大速度的情况下，将各 个区间的不同的理论运行速度放大 5% 至 10%，作为全行程超速 保护曲线的超速保护裕量，实际速度以曲线的方式越过全行程 超速保护曲线所包络的范围，实际速度曲线一旦超过数字监控 包络线，即图2 实线超越虚线时，系统将会报超速故障，切断提 升机软件安全回路， 施闸停车。

 
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/34410.html