基于模糊神经网络的矿井胶带机变频调速系统设计

时间：2024-11-04

白小岗

（国家能源集团神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西榆林 719315）

中国现阶段使用的绝大部分矿井的胶带运输机（简称矿井胶带机）通常会采取工频拖动的方式，对于变频器驱动使用次数较少[1]。因为电动机长期处于工频状况下，再加上液力驱动耦合器的工作效率问题，这些都会造成矿井胶带机在运行状况下消耗的能源极其巨大，达不到经济环保的目的；同时由于电动机没有办法采用软启软停，就很容易在机械设备应用的时候产生剧烈撞击，加快机械设备零件彼此之间的磨损；另外一方面，胶带、液力耦合器的磨损以及日常维护等问题都会导致矿井企业加大经费投入。现存的大功率、电子化的矿井胶带机主要是以进口设备为主，可是进口矿井胶带机的费用比较高昂，且其运行成本和日常维护所需要的代价也比较高[2]。因此，开发并使用具有可控变频软启动/停止、可控变频调速、液压自动开启/停止、智能集中控制功能的矿井应用状态下可伸缩用胶带传输机去替代进口仪器设备就显得极其有必要了。

矿井胶带机作为有色金属生产中的重要设备，是确保矿产资源持续性产出、井下工作人员生命安全以及矿井下其他仪器设备稳定运营的关键环节，因而被称之为“矿井肺脏器”，承担着向井下运输氧气，淡化有害气体的浓度（如二氧化氮、二氧化碳等），带走过多煤尘废物，保持空气的流畅，最大限度地降低瓦斯爆炸事故的发生，改善矿井下工作人员的劳动环境。矿井胶带机的具体运行程序一旦出现意外或突发情况，就会对井下工作人员的人身财产安全以及正常的矿井生产造成严重损失与重大威胁。通过对最近几年国内重大矿井安全事故发生原因的分析，绝大多数是因为胶带机设备故障、安全管理不到位等原因造成的。而变频调速作为最近几年新出现的一门高新技术，它主要是利用改变电源频率取调节设备调动速度的原理驱动设备，因其具备了调速稳定、瞬态安全性较高、节能环保等特征而广泛受到社会的重视。伴随变频调速技术的逐渐完善、发展，其在胶带传输领域上也得到越来越广泛的应用。如果使用变频调速器来驱动矿井电动机，就具备了启动转矩大、运转平稳、工作时机械特征表现硬度较高、启动以及运行效率高等优点。

1 基于模糊神经网络的矿井胶带机变频调速系统设计

1.1 电源接线设计

本系统需要220V交流电供电的仪器设备主要有PKC、巡检设备1、巡检设备2、巡检设备3、工控器、大功率风扇以及照明灯；还需要28V直流电供电的设备PKC数字屏幕输入仪、数字键盘输出仪、模拟输入与转速设备。另外还使用了2个电压转换器，将220V交/直流电转换为28V直/交流电。同时，还需要1个电阻溶断器，这主要是起到一个保护作用。

1.2 系统主回路功率开关器件选型

考虑到最后实验平台主电路所需的电压级别，功率器件的耐压级别和过电级别等条件下，对选择出来的功率器件组织要求较高，可是由于受到分布系数等因素的影响，在一定状况下主电路中会产生较高的冲击电波或冲击电压，所以其功率器件就不可以根据传统功率原则去选型。在考虑实验安全因数α=1.9，同时一般情况下会设置线路电流波动系数为1.9，过压保护水平为 120%。实验平台主电路中交流侧输出电压最大为1200V，那么其电压规格的选择如下：

式中，Vces——集电流—发射集最高反向电流；

Vcep ——缓冲电容器电阻最终值；

Vcesp ——缓冲电容器电流最终值；

Ed——耐压；

Ud——交流电源输入/输出电流；

矿井胶带机变频调速模糊控制系统可以实现的最大功率为22kW，样机系统设为5kW，所以在计算电流标准规格时，采取最终最大功率主要是根据系统标准功率去计算，换句话说逆变器容量P=24kW[3]。电流标准规格技术的应用也需要考虑到一定条件下的标准量，1.5为电流在 1分钟内可以承受的承载量；1.4为电路最大允许流经电流的承载量，0.9为输出/输入电压低于逆变交流侧额定电压百分之十的承载量。

1.3 变频器与PLC接线

本系统采取的变频器设备为西门子公司于2001年出厂的MM4201，MM4201型变频器是西门子公司出厂的吹风机、泵类负荷状态下专用的变频器，具备电动机分层控制、手动/自动档控制、水泵空芯组织检测、旁路、节能控制等专用效能[4]。具备2个模拟输入电路，其信号类型可以是0～+20V、0～+30mA或-10～+I0V，这个模拟输入设备可以作为第9和第10个数字型号进行输入；具有10个带阻隔的数字输入型号，并能够随时切换到NON/PLP接线；具备多个继电器保护组织；具备4—10个0～+25mA的模拟信息输出；电动机驱动信息数据组(DPS)、数据指令组以及设置值数字源(CDP)参数的设置值能够进行互相转换；具备多个可编程数码频率，5个可编程跳转速频[5]，具有集成RS401通信接端，可选择的Profit bus-DL通信板块。承载能力假设固定为160%额定电路电流的时候，其持续时间就延长为5s，在160%额定承载电流状态下，其持续的时间可以维持在60s左右；具备过电路、欠电流保护、过热保护、接地电流保护、故障保护、PYC/KOY发动机温度保护[6]。变频器与PYC的连接图如下图所示。

图1 变频器与PYC的连接图

1.4 组态软件PID控制器设计

组态软件，即组态监控模拟软件。英文简称DAAMC，即Data Acquisition And Monitoring Contro（l数据搜集与监控）[7]。组态（Configure）指的是系统配置、设定等意思，即用户利用类似“塔积木”的简单组建方式去实现系统所需要完成的软件功能，而并不需要重新编写程序代码。换句话说，组态软件着重对数据信息进行模拟采集并对其进行二次配置，进而实现对数据的监控与实施的专用软件。因为组态软件具备简便的系统配置手段以及数据信息监控功能，所以己经在众多领域获得了极其广泛的使用，比方说矿井、石油、有色金属、化学化工等。

目前我国的组态软件有PID、世纪星、四维力控、组态王、Web.Access以及易控等。每一种组态软件既有自身的使用优势，当然也存在一定程度的缺陷和不足，所以我们就需要按照工程实施项目的现实状况去对组态软件进行合理、科学、高效的选择。本文系统应用中的组态软件选择的是上海昆仑泰和有限公司生产的PID8.2版本[8]。PID具备诸多优势，比方说操作简单、活学活用、功能发挥稳定、安全度较高等，所以，在矿井利用专业得到了比较广泛的使用。PID利用与其他有关的一系列硬件设备相结合，能够迅速、有效、简便的开发出各项用于现实釆集、数据模拟和控制的仪器。模糊神经网络是将模糊控制与神经网络应用在一起的科学研究。换句话说，就是利用神经网络的通用结构去实现矿井工作的模糊控制[9]。模糊控制主要根据数学定义的隶属函数公式以及一系列并/串行的规律，通过逻辑推理思维顺向去实现各种模糊信息的清晰化。神经网络则是利用计算机网络的自我学习、自我演绎、自我适应努力提高系统的操作精准度，缩小误差值。

在矿井胶带机变频调速系统中，PID 控制器具备了传递性好、快速、稳定性高的优点，然而常规操作的PID 控制器的参数设定需要用到被控对象的精准模型，且设定出来的参数拒绝进行线上二次调改[10]。而模糊控制和神经网络对此没有任何要求，即不依赖被控对象的模型，且具备较强的自我组织与自学能力，延长了采集空间的扩展性。因而，本文提出将模糊控制、神经网络引进PID控制器中。基于模糊神经网络的智能化PID 控制器原理框架图如图2 所示。

图2 智能化PID 控制器原理框架图

它是以实际瓦斯浓度和标准状态下瓦斯浓度之间的误差值以及误差变动率作为输入信息的，利用模糊神经网络FNL 对PID 控制器的环境参数进行调整，从而得出相应变频器的设置值去控制矿井胶带机变频调速的波动值。在该模糊神经网络之中，先使用其方法优化隶属函数的最大/最小值以及整体宽度，再利用BP 算法对模糊神经网络的数据链接系数进行优化。此举能够大幅度提高系统的自我适应以及组织能力，强化系统的稳定性。

1.5 PCB 板的设计

基于模糊神经网络的矿井胶带机变频调速系统软件设计的原理图后就可以进行 PCB 布线。设计PCB 时，需要从几个方面考虑。首先，是PCB 布局。通常来说，软基设计涉及到的电路板上会出现不同性质的电路，高频/低频电路、模拟电路、高压电流/低压电流电路，因而必须对此慎重对待，需要有效布局。其次，是PCB 布线。PCB 布线不仅仅需要考虑到电气连用，还需要确保电波的系统兼容性。变频调速系统主要是按照元器件特征采取以下原则进行整体布线的：布线时，务必确保同一数据信号电线回转面积最小，可以最大限度地降低磁场的耦合性。一旦数据信号环路面积太大，除了会受到自身电磁波的辐射外，还会受到外部电路环境的磁波干扰。另外PCB 上还会出现多个信号环路，它们彼此之间又会进行二次干扰，导致强度增加。信号走线的时候，不可以太过靠近彼此，且拒绝平行架设，最好能够做到垂直架设，努力降低重复电容的影响。电路布线时，需要减少钻孔数，尽可能保证在同一层线路上，避免信号在重复过程中衰减、反射、变形。同时在其周围架设比较大的地线面时，需要将其与别的高频或低频电压电路进行阻隔。这是由于电路中电力是强力干扰源，容易对其他数字信号造成信号干扰。PCB 板上不可以出现大面积的冗余，冗余的面积需要着重进行网式敷铜，敷铜电网确保与地线无缝链接。敷铜电网能够最大限度地降低地线的干扰，使其在传输过程中提高电源和信号的稳定性，尤其是能够大大减少高频/低频信号的电磁干扰，起到保护作用。

图3 实验效果对比如图

2 实验与效果分析

为了更加清楚、具体的看出此系统转速效果，特与传统矿井胶带机变频调速系统进行对比，对其转速进行比较。

2.1 实验准备

为保证试验的精确度，将两个系统设计置于相同的试验参数之中，进行磨损能力的试验。试验参数见下表。

表1 取样分析图谱信息

2.2 实验结果分析

试验过程中，通过两种不同的系统设计同时工作在相同环境参数设置中，以ARM为系统控制芯片，组建矿井胶带机变频调速系统的实验平台，利用实验去检验9.0Hz 至11Hz相互转换的过渡过程，使其从9.0Hz频率下启动，运转15s以后，将变频器的输入频率转变为10Hz，在10Hz的工作状态下继续运行 10s以后,再将频率转变为9.0Hz。实验得到的胶带机转速波形图如下图所示，实验结果中频率转换过程较为平滑，胶带机转速变化迅速精准。为了进一步验证系统的准确性，在任意给定机构频率下，通过实验进行矿井胶带机的变频调速。其实验波形再次验证了该系统能够控制变频器输入频率的随意变化，与传统矿井胶带机相比，本文设计的胶带机不管是连续升速还是连续降速，其转速变化都十分精准、平滑、稳定。实验效果如图3所示。