摘要 矿井提升机作为井下与地面的运输扭带，主要用于井下与地面的运输，一方面是为井下输送工作人员以及工作面开采需要的设备和物资，另一方面是将井下的矿物及矸石传输到地面。作
矿井提升机作为井下与地面的运输扭带，主要用于井下与地面的运输，一方面是为井下输送工作人员以及工作面开采需要的设备和物资，另一方面是将井下的矿物及矸石传输到地面。作为开采生产中一个必要环节，对于提升控制系统的高效对于提升机的运输极为重要。由于传统提升机的控制系统一般是通过异步电动机来实现提升机的提速。这种方式是通过改变串入电阻阻值来完成调速的目的，然而这种调速模式有着诸多问题，不够安全可靠，设备占地面积大，维修麻烦，这种调速模式已经跟不上时代的步伐，亦不能满足煤企生产，已经逐步被淘汰，因此高效可靠地提升控制系统对于煤企生产有着重大意义。本文基于PLC对矿井提升系统进行控制，对控制系统硬件进行了自动化优化设计，实现了对矿井提升运输机的智能化控制。
1调速原理
对于提升机的提升速度、加/减速度、提升距离都与提升时间存在一定对应的关系，提升机工作的时候，速度具有一定的规律，通过绘制提升机速度和时间相对应的图来描述这一规律，这种图形称之为提升机速度图1。在图1的提升机速度图中，T0为提升机起始加速阶段，经过一段时间后进入主加速阶段(T1)，在T2阶段即提升机的等速阶段速度平稳运行，随后进入T3减速阶段，经T5减速阶段后进入θ停车阶段，转速的调节可由电机的频率大小来实现，其调节关系式如下(1)式中：n为转速;f为供电频率;s为转差率;p为磁极数，就可以得出电机转速。
2系统硬件设计
变频器及PLC是提升机提升系统的核心的部件。通过利用型号为S7-300的PLC中的功能模块进行数据采集与分析计算，发出控制指令，信号模块有数字量和模拟量两种类型，用于接收信息和发送指令。S7-300中的Moudbus模块为通信模块，通过对其参数的设定可实现远程操控的需求。系统I/O接口分配，开关量输入输出分别有140和69个，开关量输入输出备用12和5个以防不时之需。模拟量输入输出分别有6和2个。变频器由主回路和控制回路为其主要结构部分，本文所选用的变频器型号为JD-BP37/38，该变频器性能比同类产品更高，如互换功能，瞬时停电再启动功能等，支持MODBUS和PROFIBUS协议，最大的特点是该变频器运用了最新技术，对于电机输出转速的控制是通过电压矢量和载波移相技术调节电机的频率使得电机的转速发生变化来实现的。
3系统软件设计
3.1PLC程序
PLC程序编写在STEP7操作，STEP7程序以块来呈现，方便用户调试修改，编写不同功能的块，在主程序中直接调用，同时也存在不同的子程序，一起构成整个程序，整个系统设计的流程图如图3所示。
3.2安全保护模块
提升机在运行过程中，会由于现场环境可能出现故障，所以提升机电控系统必须要有安全保护措施，目前常见的故障主要有变频器故障、过速、过卷、弹簧盘疲劳等等，就有相应的保护，通常安全模块的设计流程如图4所示。
3.3模拟量模块控制系统的控制流程
一般为，传感器将收集的数据信息传到控制系统，控制系统将这些数据传输到PLC中的CPU模块进行信息处理最终发出匹配的指令，就会涉及到模拟量信息和指令，所以模拟量模块的设计至关重要，模拟量模块设计流程如图5。
3.4上位机程序设计
人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话窗口[3]，为了方便现场使用，必须设计合适的人机交互界面。在界面上需要做到显示提升机运行的状态和参数，监测参数，及时发现故障，并能做出警示。本次设计选用MCGS进行人机界面的制作，初始化界面如图6，除此以外界面中还包括了故障画面、提升机参数等等，可以点击相关按钮进行查看。
4模糊自适应整定PID在提升机系统中的运用
4.1模糊控制原理
对于运用的智能控制方法是借由模糊控制理论体系实现的。所谓模糊控制是依托模糊理论、语言及逻辑为基础的一种控制。其原理类似于人处理事件时所作出的判断和决定，只要是通过学习前人的经验和比较专业人士的理论，将其设定为相应的规则同时将采集的数据模糊化，经过对模糊信号的传输、处理、输出一系列动作，最终实现模糊控制。模糊控制原理图如图7。
4.2模糊自适应整定PID
PID对于线性系统有着较好的控制，所以PID在工业控制系统中应用很多，对PID控制影响的有三个参数分别是比例调节系数、积分调节系数、微分调节系数，这三个参数分别在PID控制中起不同的作用。比例调节系数改变系统响应时的速率，积分调节系数用于在系统出现稳态后，消除误差，微分调节系数通过修正误差的改变趋势，使得PID控制有更好的效果。最优控制是将模糊控制与PID控制的整合，通过控制系统的融合使得模糊自适应整定PID更加高效。要想在工业中良好的运用模糊自适应整定PID，首先对工艺流程非常熟悉，搭建需要的模型，收集相关领域专家的知识和现场工人师傅平时操作经验，整理专家知识和现场经验，做出相应的控制规则，并将规则模糊化，最后完成PID三个参数最优调整，从而实现现场的最优控制。为了比传统PID控制更加高效，更好的应用于矿井提升系统。根据模糊控制规则对输入量E(误差)和EC(误差变化率)的参数整定，优化其参数。模糊自适应整定PID结构如图8，将E(误差)和EC(误差变化率)参数进行模糊化处理，便于智能系统的控制。控制器对模糊信号进行推理后，会通过模糊处理将PID参数进行整定最终得出三个参数的修正量。结合参数修正量与PID参数初始量，得到新的参数，即为整定PID参数。
4.3模糊自适应整定PID控制器设计
确定控制器结构是设计模糊自适应整定PID控制器的首要任务，其中输入量为E和Ec，输出量是PID参数的修正系数，最后将其结构在Matlab仿真模块中的用fuzzy指令对控制结构的构建。第二步，确定模糊集和论域，本次设计中将模糊集分为7个等级，分别是NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，相应的论域{-6、-4、-2、0、2、4、6},。第三步对控制器隶属度函数的确定，采用高斯型隶属函数作为输入量，采用三角形函数为控制器的输出量。最后一步，确立控制规则，根据专家知识和工人操作经验，根据误差实时反馈设计出极大减小误差的控制规则。
4.4模糊自适应整定PID实现方法
本次控制系统选用S7-300PLC，较难编写模糊控制规则，在STEP7中编辑隶属度函数比较困难，所以较难实现在线进行控制，而对于离线控制是容易实现的。将控制语言整理成特殊的存储格式，将其储存在型号为S7-300的PLC存储器中。在控制系统运行的时候通过对调用寻址的方式将PID参数传输到控制器中。从而实现系统的整体控制。
5结语
分析目前煤矿提升系统，发现了现在系统消耗高，故障率高，控制不灵活的问题，为了解决当前问题，提高矿井提升系统的效率，根据提升机调速原理，设计了一种基于PLC的控制系统，用模糊自适应整定PID控制方法，通过模糊控制和PID控制相结合，大幅度增加了提升系统的性能。对于本系统在矿井提升中的应用，充分的证实本系统与传统的模糊控制和PID控制单一控制相比，该提升系统性能更加优良，对于实际应用前景更宽范。
参考文献：
[1]李良光.煤矿交流提升机双馈调速系统起动模式研究[D].中国矿业大学，2011.
[2]刘豫喜.刘建英，提升机的速度和位置控制算法[J].2014(05)：37-38
[3]蒋求生.基于MPI协议的矿用提升机电控系统设计与应用[D].湘潭大学，2016.
[4]成梦玲.矿井提升机智能网络控制系统研究[D].江苏科技大学，2014.
[5]阎虎民.基于模糊整定PID的直流电机调速系统研究[D].天津大学，2013.
作者：王晶
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