基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计第三稿112.docx

基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计第三稿112.docx

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基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计第三稿112

分类号密级公开

UDC编号

工程硕士学位论文

基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计

DesigningoftheBeltConveyorFuzzyPIDControlSystemBasedonPLC

指导教师

作者姓名

申请学位级别

工程硕士

学科（专业）

机械工程

论文提交日期

2015年月

论文答辩日期

2015年月

学位授予单位和日期

江苏大学2015年月

答辩委员会主席__________

评阅人_______________

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

年月日

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论文的公布（包括刊登）授权江苏大学研究生处办理。

本学位论文属于不保密□。

学位论文作者签名：

指导教师签名：

年月日

基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计

DesigningoftheBeltConveyorFuzzyPIDControlSystemBasedonPLC

专业名称：

机械工程

指导教师：

张西良

研究生：

葛慧

2015年月

摘要

带式输送机因其具有运输物料种类广泛、输送量大、适应性强、运输安全平稳、装卸灵活、运输成本低且对物料损伤小等优势，受到各个工业的青睐，尤其在冶金业、煤炭业、建材业、交通、电力行业中应用广泛，占有极其重要的地位。

近些年，随着科学技术的高速发展和社会进步，对带式输送机自动控制与可靠节能运行提出更高的要求，因此，本文以用于煤炭运输的大型带式输送机系统为研究对象，开展其PLC和模糊PID控制等新控制技术应用研究具有一定的实用价值。

首先，针对煤炭运输对大型带式输送机系统工作环境及性能要求，基于带式输送机的基本构成，分析了其载煤量与运行速度和功率关系，对带式输送机主要动力传动部件选型，设计了带式输送机动力传动系统；其次，基于PLC自动控制和模糊PID控制方法，研究了带式输送机模糊PID控制系统总体方案，采用MATLAB软件，通过其模糊逻辑工具箱以及Simulink仿真功能，对带式输送机模糊PID控制器建模和仿真，实现对变载煤量下带式输送机控制系统模糊PID控制参数的自整定；然后，针对带式输送机系统主要控制功能，应用西门子公司的S7-200系列PLC，构建了带式输送机PLC控制系统，配置了I/O点数和类型，设计了控制系统I/O硬件接口，并完成了PLC控制系统的主控软件和模糊PID控制等功能软件设计；最后，介绍了带式输送机PLC控制系统软硬件调试及运行试验，试验结果表明：

控制系统能够实现带式输送机软启动、手动调速、自动适应载煤量调速等功能，能够适应市网电压波动，运行可靠性得到提高，在载煤量约为满载量50%情况下输送3500吨煤炭，综合能耗为0.416，与之前控制系统相比，能耗降低了15%。

本文研究设计工作最主要特点是：

实现了带式输送机电机的软启动，并且改变了传统的驱动装置在系统运行过程中不能调速的缺陷，从而在系统载煤量（运输量）变化时，可以通过变频器调速，从而节省能源；控制系统采用PLC控制，对煤矿运输恶劣的工作环境适应提高，与传统的控制方式相比，可靠性大大加强；运用模糊推理调整PID参数，能够实现在线实时参数自整定，使控制器具有良好的稳态、动态性能，对于非线性、参数不确定的过程控制可以取得较令人满意的控制效果。

关键词：

带式输送机，PLC，模糊PID，控制系统

ABSTRACT

Beltconveyorbecauseofitstransportationmaterialwidevariety,largethroughput,strongadaptability,flexibletransportationsafetyandsmooth,loadingandunloading,transportationoflowcostandsmalldamagetothematerialandotheradvantages,favoredbytheindustry,especiallyinthemetallurgicalindustry,coal,buildingmaterialsindustry,traffic,electricpowerindustryoccupiesanextremelyimportantposition.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,technologyofbeltconveyorhasbeengreatlyimproved,therefore,studiesofbeltconveyoralsohasacertainpracticalvalue.

Inthispaper,thecontentoftheresearchismainlycontrolledbyprogrammablecontrollerreformingbeltconveyorsystem.First,thispaperintroducesthebasiccompositionofthebeltconveyor,designbeltconveyorfortypeselection,abriefintroductiontothePLCprogrammablelogicdevices,workingprinciple,definition,developmentsituationandPLCprogrammablelogicdevicesinthecommonproblemsinpractice,andthecharacteristicsofthetechnologyispresented.Secondly,designtheoverallschemeofthefuzzyPIDcontrolsystem.UsingMATLABsoftware,throughtheuseofthesoftwareprovidedbyfuzzylogictoolboxandSimulinkfunctioncanbedonequicklyandefficientlymodelingandsimulationoffuzzyself-tuningPIDcontroller.Finally,thispaperintroducesthecontrolsystemtorealizethemaincontrolfunctions;respectively,fromthecompositionofPLCcontrolsystemandcontrolsystemI/Opointstheconfigurationofthetwomethodstodesignthebeltconveyorcontrolsystemhardwareparts,andcompletesthesoftwaredesignofthecontrolsystem.Andthecontrolsystemofbeltconveyorisexperimentalsimulationandthefielddebugging,toensurethatthecontrolsystemfunctionscanberealized.

Inthispaper,theimplementationofmotorsoftstart,andchangedthetraditionaldrivingdevicesinthesystemcan'tcontrolthedefectsintheoperationprocess,thusthesystemvolumeissmallcanundertakespeedregulationbyfrequencyconverter,soastosaveenergy.Becausecoalmineworkingenvironmentisbad,thetraditionalcontrolmethodofthereliabilityisnothigh,pronetoaccidents.ThecontrolsystemadoptsPLCtocontrol,comparedwiththetraditionalcontrolmode,thereliabilityisgreatlyenhanced.ThefuzzyreasoningcanadjustPIDparametersonlinereal-timeparameteradjustment,thecontrolstrategyismoreperfect.Fuzzyself-tuningPIDcontrollerhasgoodsteady-stateanddynamicperformance,fornonlinear,parameteruncertaintiessatisfyingcontroleffectcanbeachievedwithprocesscontrol.

Keywords:

beltconveyor,PLC,fuzzyPID,controlsystem

第一章绪论

1.1选题背景

带式输送机又称连续输送机或皮带输送机，可以将物料在一定的输送线上，从起点运送到终点，形成一个物料输送过程。

因为其具有运输物料种类广泛、输送量大、适应性强、运输安全平稳、装卸灵活、运输成本低且对物料损伤小等优势，因此受到各个工业的青睐，尤其在冶金业、煤炭业、建材业、交通、电力行业中占有极其重要的地位。

近些年，随着科学技术的高速发展和社会的进步，对带式输送机自动控制与可靠节能运行提出更高的要求，带式输送机及其控制技术也得到了大幅度的提高，其未来将向着大型化、智能化和高可靠性的方向发展[1-4]。

带式输送机作为煤炭企业主要的煤炭运输设备，其与空压机、排水泵、通风机等主要设备用电负荷占到矿井生产用电的70%-80%。

这些设备在煤炭企业中耗电最大，同时它们也是节电潜能最大的高耗能设备。

据不完全统计，我国煤矿企业中40%左右的高耗能设备有待更新，许多国有重点煤矿的带式输送机、矿井主通风机、主排水泵的平均效率低于60%，生产系统的效率不足55%，和国外先进水平相差大约15个百分点。

同时，传统皮带控制采用简单、粗放、固定的开环控制方式，在实际煤炭生产中，当煤量较小、甚至空载时，皮带仍以固定高速运行，导致电能大量浪费，增加企业生产成本，造成企业效率降低[5-9]。

因此，有关带式输送机及其自动控制的研究就显得格外重要。

1.2选题目的和意义

本文以用于煤炭运输的大型带式输送机系统为研究对象，宽度为1.1米，满载载煤炭量为3500t/h，针对煤炭运输过程中具有潮湿、温度变化大、粉尘多等特点，以及载煤炭量多变与市网电压波动大等原因，开展基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计，目的是通过PLC和模糊PID控制等新控制技术在带式输送机中应用研究，解决带式输送机面临以上特点时所产生的系统不稳定性问题，从而最终降低系统的输煤成本。

开展基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计，实现了带式输送机电机的软启动，并且改变了传统的驱动装置在系统运行过程中不能调速的缺陷，从而在系统载煤量（运输量）变化时，可以通过变频器调速，节省能源；对煤矿运输恶劣的工作环境适应提高，与传统的控制方式相比，可靠性大大加强；能够实现在线实时参数自整定，使控制器具有良好的稳态、动态性能，对于非线性、参数不确定的过程控制可以取得较令人满意的控制效果。

对煤炭运输行业的健康发展具有一定经济或者社会意义，因此研究工作具有一定的实用价值。

1.3国内外研究动态

1.3.1国外带式输送机及其控制技术的现状

带式输送机的设计起源于国外，它的技术比较成熟，发展也很迅速，无论是功能还是技术都居于前列，特点体现在以下方面：

首先是它的功能越来越强大，应用的领域也越来越广泛；其次是带式输送机自身的技术装备迅速发展，它的运行性能和可靠性得到了很大的提高。

目前，国外的带式输送机运行速度已达到8~12m/s，德国生产的带式输送机的最高速度已超过15m/s。

在煤矿井下使用的带式输送机在关键技术和装备上有以下特点[10-14]：

（1）设备趋于大型化，主要参数与装备都向大型化发展，来满足年产300-600万吨以上煤矿使用。

（2）为了达到带式输送带的动态测控，设备需要拥有机电自动一体化，采用计算机在线监测、实时分析等高新技术，能够达到设备软启动与皮带自动张紧功能。

在该要求下的带式输送机，皮带动张力得到降低，满足了运行环境下的最佳状态，设备功耗及损耗小、效率高。

（3）采用多机驱动与中间驱动及其功率平衡，输送机变向运行等技术，理论上带式输送机的单机运行长度没有限制，确保了输送系统设备的通用性，互换性及其单元驱动的可靠性。

（4）新型，高可靠性关键元部件技术，如包含CST等各种先进的大功率驱动装置与调速装置，高寿命高速托辊，自清式滚筒装置、高效贮带装置、快速自移机尾等。

如英国FSW生产的FSW1200/（2~3）@400（600）工作面顺槽带式输送带就采用了液粘差速或变频调速装置，运输能力达3000t/h以上，它的机尾与新型转载机（如美国久益公司生产的S500E）配套，可随工作面推移而自动快速自移，人工作业少，生产效率高。

1.3.2国内带式输送机及其控制技术的现状

（1）带式输送机驱动方式及应用现状[15-19]

驱动装置一直是输送带技术发展研究的重点，它在输送带安全性和生产效率方面都起到决定性的作用。

目前带式输送机的驱动方式主要有以下几种：

①直接启动

直接启动是指定子绕组直接连接电源。

该驱动方式下，能够满足启动时间最短的要求，且由于接线简单，因此装置价格低廉。

但该方式仍有一些限制条件，带式输送机的电动机在启动时会产生较大转矩和较高电流。

例如，启动过程中，输入电流值会达到电动机额定电流5、6倍之高，在加速过程进行一段时间后，联合机械特性的影响会产生出较高的设备温升，可能会造成电动机的损害。

更为严重的是，该启动过程会在线路上产生较大压降，直接影响到该条线路上其他电气设备的运行。

②调速型液力耦合器驱动

液力耦合器主要是由输入及输出轴、涡轮、泵轮、辅助腔、外壳以及安全保护装置等组成。

根据其设备组成能够发现，该设备实质是涡轮机与离心式水泵的组合。

当电动机通过输入轴带动耦合器泵轮旋转时，充填在耦合器工作腔内的工作液体受到离心力和工作轮叶片推动的双重作用，从半径小的泵轮入口被加速加压抛向半径较大的泵轮出口。

同时，液体的动量矩获得增量，即泵轮将动力机输入的机械能转化成了液体动能。

当具有液体动能的工作液体由泵轮出口冲向对面的涡轮时，液流便冲击涡轮叶片，使之与泵轮同向转动，也就是说液体动能又转化成了机械能，驱动涡轮旋转并带动工作机做功。

释放完液体动能的工作液体由涡轮入口流向涡轮出口并再次进入泵轮入口，开始下一次循环流动[20]。

调速型液力耦合器驱动的带式输送机在使用中有如下优点[21-24]：

1）能实现带式输送机的软启动；

2）能使电机空载启动；

3）多机驱动时，能实现多机顺序启动，减少对外界电网的冲击；

4）当输送机发生过载时，能自动产生滑差而卸载，保护电机和传动部件不受损坏；

5）除能方便地实现微机控制外，在故障状态下，易于临时实现手动。

③变频调速系统由整流电路、控制电路、滤波系统、逆变电路、CPU与其附件等构成[25-26]。

整流单元将工频交流电（50Hz或60Hz）变换成直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。

根据三相交流异步电动机的转速公式：

（序号在行尾）（1.1）

式中，n：

电机转速，r/min；f：

电机电源频率，Hz；s：

转差率；p：

电机极对数。

由上式可知，频率与电机转速为正比关系，变频调速是通过改变定子的供电频率来改变电动机的同步转速来实现的。

该方式具有以下特点：

1）理论技术先进，标准规模化高，系统结构简单，能够进行多机驱动，设备通用性强，部件维修费用低廉；

2）运行可靠性能高，能够进行工频旁路运行，在过电流、电压波动与过载发生的情况下能够实现自我保护控制；

3）可控性能强，满足可控起动与停车，在低速段能够长期稳定运行；

4）可实现智能运行（根据运量调带速），通过减低电机输入功率可以达到节能目的，长期运行节能费用可观；

5）低速运行稳定，启动电流小，功率因数高，并且多机驱动功率平衡好，速度同步好，精度高；

6）属于无级调速，调速范围广，调速运行稳定，可有效避免机械共振，最大限度减小各承载部件的动载荷；

7）装置重量轻、体积小，基建投资少，安装维护都十分方便，且工作环境好，没有机械磨损和漏油的问题；

8）在采用制动电阻和制动单元的情况下，能够对负力矩实行可靠的安全制动；

9）工作过程中损耗较低，线性度好，传动效率较高；

10）采用开放式通讯协议，接口标准化程度高。

（2）带式输送机控制技术现状及发展趋势[27-29]

近年来，带式输送机变频控制系统在煤矿上应用比较普遍，在功率较小、速度较低的输送机上采用低压、小容量的变频器，高电压、大容量的中压变频器则常用在大功率、高带速和大运量的带式输送机上。

还有一些变频器应用在相应的场合。

如顺槽带式输送机上采用防爆变频器等。

带式输送机变频控制最大特点的就是能够通过改变变频器频率从而改变输送机的速度，并可以根据物料大小自动改变输送带带速。

近年来，众多使用变频控制的企业单位都没有将该功能充分发挥，也未体现出变频控制和其他控制方式的差异和优势。

引入基于动态分析的反馈控制是带式输送机控制系统技术的发展趋势。

以目前国内的技术，大多数企业在对带式输送机进行控制时，还停留在以固定的程序控制启动和停车，不能实时的根据现场工作情况而变化。

很多起动控制为速度控制和转矩控制，虽然功率和输送带的张力变化较大，但对于空载和满载没有区别。

所以，想要设计出自动控制的系统，必须加入反馈控制，及时的将转速，转矩等检测结果反馈给驱动装置来调节驱动输送机的转速和转矩。

通过这样的控制方式，可使输送机各个部件处于安全运行状态，同时也大大增加了输送机控制系统的可靠性和安全性。

煤矿在生产时煤量是不均衡的，对现有的工作和技术条件进行分析，如何使带式输送机控制系统最优化，并开发智能动态控制系统是目前带式输送机控制技术的发展趋势，这也将整个输送机系统的安全性和可靠性将大大提高。

1.4本文的主要工作

本课题所研究的内容主要是用PLC和模糊PID控制等技术来实现带式输送机的控制，开展基于PLC的带式输送机模糊PID控制系统研究与设计。

因此本文的主要工作如下：

（1）大型带式输送机系统研究：

针对煤炭运输对大型带式输送机系统工作环境及性能要求，基于带式输送机的基本构成，分析其载煤量与运行速度和功率关系，对带式输送机主要动力传动部件选型，设计大型带式输送机动力传动系统。

（2）大型带式输送机模糊PID控制系统研究：

基于PLC自动控制和模糊PID控制方法，研究带式输送机模糊PID控制系统总体方案，采用MATLAB软件，通过其模糊逻辑工具箱以及Simulink仿真功能，对带式输送机模糊PID控制器建模和仿真，实现对变载煤量下带式输送机控制系统模糊PID控制参数的自整定。

（3）大型带式输送机PLC控制系统设计与调试：

针对带式输送机系统主要控制功能，应用西门子公司的S7-200系列PLC，构建带式输送机PLC控制系统，配置了I/O点数和类型，设计控制系统I/O硬件接口，以及PLC控制系统的主控软件，完成带式输送机PLC控制系统软硬件调试。

（4）大型带式输送机PLC控制系统运行试验：

通过电机启动、输送机手动调速、输送机非线性参数不确定工作过程运行，以及在载煤量约为满载量50%情况下输送等试验研究，试验验证系统研究设计结果。

第二章大型带式输送机系统研究

2.1煤炭运输对大型带式输送机系统工作要求

2.1.1环境要求

（1）环境温度：

+2℃～30℃，相对空气湿度97%，海拔不高于1000m。

（是煤矿井下温度湿度范围吗？

）

（2）安装地点：

煤矿井下综采工作面皮带运输顺槽。

（3）适用于顺槽皮带输送机的使用工况，皮带机有被水淋或局部有输送煤泥水的运行情况。

（4）工作制：

连续型，适用于含爆炸性气体（甲烷）和煤尘的煤矿井下。

（5）矿井属低瓦斯矿井、煤尘有爆炸危险，煤有自燃发火倾向。

2.1.2性能要求

每台输送机都有其自己的特点，通常需要特殊张力控制技术以保证在整个输送机上的张力分布适当，驱动系统对于控制输送机及其输送带张力、改善传动性能起着重要作用，现代输送机的发展特点决定了长距离输送机的驱动应能满足以下性能要求：

（1）平稳起动，降低对输送带强度的要求；

（2）多电机驱动时的功率平衡；

（3）多级驱动时的负荷分配和过载保护。

2.2大型带式输送机的基本构成

大型带式输送机主要用于输送煤炭、矿石、沙石、谷物等散装物料。

其在连续装卸条件下能实现连续运输，所以生产率较高；另外带式输送机结构简单，设备费用低；工作平稳可靠、噪音小，输送距离长，输送量大，能源消耗少；同时可在胶带的任意位置加料或卸料，容易实现倾斜输送。

其应用范围相当广泛，遍及矿山、冶金、化工、建筑、轻工、港口和车站货场。

大型带式输送机主要由输送带、驱动电机、连轴器、减速器、驱动滚筒以及托辊、机架、拉紧装置、制动装置、清扫装置、装载装置等部件构成。

下文对煤矿企业使用的带式输送机作简要介绍。

2.2.1输送带

输送带在带式输送机中，既是承载构件又是牵引构件，它不仅要有承载能力，还要有足够的强度。

输送带由芯体和覆盖层构成，芯体承受拉力，覆盖层保护芯体不受损伤和腐蚀。

所谓强力胶带运输机，指芯体是钢丝绳、覆盖层是橡胶的胶带输送机。

为方便