PLC在有色金属矿井通风机控制系统中的应用.pdf

2016年 2月下 世界有色金属 89 Comprehensive 综合 PLC在有色金属矿井通风机 控制系统中的应用 刘雄平 （湘潭技师学院， 湖南 湘潭 4 1 1 1 0 1 ） 摘 要 采用P L C可编程逻辑控制集成元件进行有色金属矿井通风机控制系统的优化设计， 提高矿井通风机控 制的可靠性。 系统的模块化设计主要包括控制信号采集模块、 主控单元模块、 信号A / D转换模块、 串联谐振匹 配符模块和控制中断及复位模块等。 采用P L C作为主控芯片实现系统的硬件电路设计和控制算法程序加载。 仿 真结果表明， 该系统可靠稳定， 功能完善。 关键词 P L C； 矿井通风机 ； 控制系统 ； 中图分类号 T P 2 7 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 - 5 0 6 5（2 0 1 6 ） 0 4 - 0 0 8 9 - 2 Application of PLC in the control system of the mine fan of nonferrous metal LIU Xiong-ping x i a n g t a n t e c h n i c i a n c o l l e g e o f h u n a n , X i a n g t a n 4 1 1 1 0 1 , C h i n a Abstract T h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f t h e c o n t r o l s y s t e m o f n o n f e r r o u s me t a l mi n e f a n c o n t r o l s y s t e m u s i n g P L C p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m o f mi n e v e n t i l a t o r . T h e s e r i e s r e s o n a n t ma t c h i n g mo d u l e a n d t h e c o n t r o l i n t e r r u p t a n d r e s e t mo d u l e a n d s o o n . Us i n g P L C a s t h e ma i n c o n t r o l c h i p t o a c h i e v e t h e s y s t e ms h a r d w a r e c i r c u i t d e s i g n a n d c o n t r o l a l g o r i t h m p r o g r a m l o a d i n g . T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m i s r e l i a b l e a n d s t a b l e , a n d i t s f u n c t i o n i s p e r f e c t . Keywords P L C ; mi n e v e n t i l a t o r ; c o n t r o l s y s t e m; 在有色金属矿藏勘探和开采中， 需要在矿井中进行 良好的通风设计，保障有色金属开采的安全。有色金属 矿井通风机是布置在矿井内部的大型通信系统， 采用网 络分布方法布均匀分布在矿井内部结构中， 实现矿井内 部与外界的通风和换气， 通过对有色金属矿井通风机控 制系统的优化设计， 提高通风机控制系统的可靠性和稳 定性，相关的系统设计方法受到人们的重视 [1]。随着可 编程逻辑处理芯片的应用， 采用PLC可编程逻辑控制元 件进行通风机控制系统的优化设计，提高控制精度，保 障系统的可靠度 [2]。 本文提出一种基于PLC在有色金属 矿井通风机控制系统设计方法， 首先进行了控制系统的 总体设计和系统功能描述， 设计控制算法构建通风机的 PID控制器，以此为基础，采用PLC芯片作为控制核心 单元进行控制系统的硬件电路设计与实现， 仿真实验进 行了性能验证， 得出了有效性结论。 1 系统总体设计描述和控制算法 1.1 控制系统总体设计和指标分析 为了实现对有色金属矿井通风机的优化控制， 需要 进行控制系统的逻辑编程控制设计， 由于有色金属矿井 通风机属于往复式电机，工作环境恶劣，导致控制性能 不好，对此，本文采用PLC逻辑控制设计方法，对有色 金属矿井通风机控制系统的设计采用的是AD采样方 法， 将金属矿井通风机的突变信号源接入AD， 测试AD 采集结果进行信号分析， 矿井通风机控制系统系统总体 设计包括控制信号采集模块、主控单元模块、信号A/D 转换模块、 串联谐振匹配符模块、 信号特征分析的ARM 控制模块和控制终端模块等 [3]。 1.2 控制算法描述 在上述控制系统的总体设计和指标分析的基础上， 收稿时间 2 0 1 6 - 0 1 作者简介 刘雄平， 生于1 9 8 1 年， 男， 湖南邵东人， 本科， 讲师。 工作单位 湘潭技师学院。 研究方向 电气控制与自动化。 通讯地址 湖南湘潭雨湖区高岭路七号 湘潭技师学院电气工程系。 联系方式 l x 0 2 1 6 3 . c o m 世界有色金属 2016年 2月下90 Comprehensive 综合 为了实现对有色金属矿井通风机的优化控制， 需要进行 控制算法设计， 本文采用模糊神经网络PID控制算法设 计方法， 有色金属矿井通风机的控制系统为一个三层前 向神经元网络， 为2 3 1 结构， 在VPP仪器驱动程序， 有色金属矿井通风机PID神经网络的电磁耦合权值为 j ω∗， 通过AD采集系统将控制系统的控制参量输入 j net 中， 通过A/D转换器电路进行控制参量的前置放大， 得 到金属矿井通风机控制系统的神经元网络的输入向量 为 1, jjjj ukg netukθ− （1） 式中，j θ 为金属矿井通风机的磁损耗系数，j net 为 信号采集的特征的自适应神经元参量， 在地面监测有色 金属矿井通风机的四个特征量， 假设一定的输入节点个 数N，采用1.25 V的门限检测器得到控制系统的输出 神经元的向量元素个数k， 神经元的输出j x 表述通风机 的容错性控制特征矢量， 输出函数为 jj x kf u t （2） 有色金属矿井通风机在信号突变下的控制系统主的 直流参考电压为dc u ，基于AD9225数字处理芯片，采 用PLC逻辑控制芯片，u e 得到矿井通风机配直流侧能 量，对金属矿井通风机进行三电平整流耦合控制，采用 Sigmoid函数得到通风机控制输出两相换流， 其表达式 为 1 1 x f x e− （3） 金属矿井通风机信号输出通过追踪器， 输入到主频 放大器，实现变结构PID神经网络控制，考虑永磁体中 的涡流损耗， 得到通风机电能传输控制的传递函数为 1,2 ii u knet ki （4） 控制误差的收敛值输出为 1 1 i i uk x k e− （5） 结合之前设计的PID变结构网络积分器，采用自适 应阶跃响应曲线法在线调整权值， 取 ， 1 01 0 n Mηεε − − （6） 得到控制输出增益为 00 1 sjhsjh sjh J wnw n w η ∂ ′′′− ′∂ （7） 上式中， 0 w n′ 为金属矿井通风机A/D采样的幅值， η′为模糊控制系数，通过上述控制算法设计，提高通风 机的控制性能。 2 硬件电路设计与实现 根据上述总体设计思想和指标性能参数分析， 采用 上述PID控制算法，进行控制系统的硬件电路设计，本 文采用PLC可编程逻辑控制芯片作为主控芯片， 进行控 制系统的硬件电路设计。 金属矿井通风机信号数据采集 器/分析仪的设计要求小型化和低功耗，采用PLC芯片 能有效满足需求， 根据有色金属矿井通风机控制系统的 设计方案，结合前期调研，得到有色金属矿井通风机仪 器整体功耗为2 KW ； 采样分辨率不低于8位。 信号A/ D转换模线提供了3组在板电源5V和3.3V， 选用不 同的DC-DC芯片为DSP设计的一款电源芯片， 分别实 现程序断点、实时分析。给DSP配置一个外接FLASH 存储器，对外部数据空间寻址通过片选和读、写信号 进行智能控制。串联谐振匹配符模块是4通道输入的 CPLD编程模块， 输入通道可控制7864控制信号， 读A/ D转换值，采用PLC逻辑控制芯片， VIN1A ～ VIN4A 分别接信号输入， 得到通风机控制的PLC芯片的硬件接 口图如图1所示。 图1 PLC芯片的接口硬件设计框图 硬件设计时，根据系统所需，逻辑门建立的JTAG 接 口 来 实 现 3.3V 的 看 门 狗 复 位，通 过 CPLD 编 程 ADM706SAR的看门狗引脚实现金属矿井通风机控制 信号的加载和智能控制。 3 系统性能测试 为了验证系统的应用性能，进行稳定性测试，测试 中假设通风机控制系统的输入信噪比-15.5dB， 风机的 近程初始测距620 m， 利用C语言编写驱动程序的开 发包，得到通风机控制输出的波束响应如图2所示，从 图2可见，采用本文方法进行风机控制，具有较好的波 束响应性能， 控制精度提高。 图2 控制输出 4 结语 本文设计的基于PLC和变结构PID神经网络控制的 有色金属矿井通风机控制系统性能较好，可靠性较高， 输出的稳健性较好。 [1] 李芸,刘春姣,肖英杰.无动力目标拖带系统的转向智能协同控制 方法[J].信息与控制,2015,446690-696. [2] 陆兴华,吴恩燊,黄冠华.基于Android的智能家居控制系统软件 设计研究[J].物联网技术,2015,355692-695. [3] 俞辉.多智能体机器人协调控制研究及稳定性分析[D].武汉华中 科技大学,2007.