基于PLC的煤矿风门模糊PID控制系统设计_刘瑞涛.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0600前言煤矿风门是通风系统的重要组成部分，既可配合通风机设备，用于调控井下风量，又可作为运输通道，方便煤矿生产。对于煤矿风门控制，传统风门主要依赖人工方式开关，其自动化程度较低，工作强度大，并且由于井下多采用负压通风方式，人工开关风门极不方便，甚至存在着一定的危险系数。因此，如何实现风门的自动化控制是确保煤矿安全生产的前提条件之一。目前，PLC自动控制技术在煤矿生产的各个环节中都得到了广泛成熟的应用，PLC控制系统的可靠性、适用性、开发周期和成本优势都是其他控制器所无法比拟的。为了实现气动对开式风门的自动控制，本 方 案 以 西 门 子 公 司 的 高 性 价 比S7-200SMART PLC作为核心控制单元，开发具有远程调度和在线测量的风门系统，实现对风门的可控性，为井下人员行走和物料运输提供便利。此外，为了配合通风机优化调控井下风量，利用模糊PID对风门开合程度进行优化调节，确保矿井采掘工作面的风量满足安全生产要求。1风门系统控制方案煤矿风门系统基本结构如图1所示，巷道内安装气动对开式风门，沿出入方向布置红外发送和接收传感器、风压和风量传感器、门磁开关、声光报警等。图1煤矿风门系统基本结构图巷道内安装的矿用控制箱用于现场对开式风门开合状态控制。当人员或物料通行当前风门时，红外接收信号被阻断，传感器输出高电平。控制箱控制电磁阀换向，开启当前风门，其他风门闭锁保持关闭状态。等待通行后，风门1关闭，门磁开关导通，控制箱检测输入低电平，闭锁状态解除。当通过风门的开合状态参与井下风量调控时，风门开合程度由控制箱和气动调节阀控制。根据矿井采掘工作面风量要求以及巷道内风压和风量传感器测量信号，模糊PID给出关于气动阀的控制指令，调节风门开合程度。针对以上分析，风门系统采用的控制方案如图2所示。针对人员或物料通行需要，检测红外发送和接收传感信号，发出开启当前风门、闭锁其他风门的控制指令，输出作用于气动控制回路的电磁换向阀，基于 PLC 的煤矿风门模糊 PID 控制系统设计刘瑞涛(石家庄职业技术学院，石家庄050081)摘要：针对煤矿风门开合自动化程度较低、工作强度大等问题，利用S7-200 SMART PLC设计了煤矿风门自动控制系统。PLC系统提供远程和就地控制2种方式，通过检测红外信号，自动控制风门开关，为井下人员行走和物料运输提供便利。PLC系统利用模糊PID优化风门开合程度，配合通风机等设备参与优化井下风量和风压。本系统配置简单，应用灵活，对确保煤矿安全生产有重要意义。关键词：煤矿；风门；PLC；模糊PID；控制系统中图分类号：TD726文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 289 03Design of Fuzzy PID Control System of Mine Air Doors Based on PLCLIU Ruitao（Shijiazhuang University of Applied Technology,Shijiazhuang 050081,China）Abstract:Aiming at the low level of automation and high work intensity of the coal mine air doors,S7-200 SMART PLC is used to design an automatic control system for the opening and closing withproviding both remote and local control.The PLC system uses fuzzy PID to optimize the opening andclosing of the air doors and then to optimize the air volume and pressure in conjunction with ventilationfans and other equipment.The system is simple to configure and flexible in its application,which is ofgreat importance in ensuring safe production in coal mines.Key words:coal mine；air doors；PLC；fuzzy PID；control system气动对开式风门门磁开关控制箱推红外传感器拉推拉289控制风门开合。针对风量调控需要，测量风压和风量信号，利用模糊PID发出与风量、风压相关的开合状态控制指令，输出作用于比例阀，控制风门开合程度。图2煤矿风门系统控制方案2S7-200 SMART PLC设计根据煤矿风门系统基本结构及其控制方案，风门开合状态调节主要利用巷道内布置的矿用控制箱。具体功能：包含足够的、丰富的信号测量端口，测量红外接收、门磁等数字量输入，风量和风压等模拟量信号，输出声光报警灯数字量信号，电磁比例阀开度等模拟量信号；具有可靠的通信控制功能，可实现与在线监测分析平台的双向通信，远程监控测量信号和控制指令；可支持构建模糊PID控制器，用于实现风门开合状态的优化控制。综上考虑，风门控制采用西门子高性价比S7-200 SMART PLC，如图3所示，包括CPU ST40 DC/DC/DC、RS485/RS232通信模块SB CM01、8路模拟量输入AI模块EM AE08和4路模拟量输出AQ模块EM AQ04，配置如表1所示。图3PLC系统结构CPU ST40 DC/DC/DC采用晶体管输出，本体包含24点数字量输入和16点数字量输出，支持扩展1个信号板和6个扩展模块，可扩展的最大数字量和模拟量端口数分别为236点和49点，具有较快的信号响应速度和指令运行效率，可满足煤矿风门开关以及对不同开合状态的控制要求。CPU ST40 DC/DC/DC本体支持Profinet和RS485，利用通信端口扩展可支持Profibus-DP、Modbus RTU/TCP和USS等多种总线协议，能通过Profinet在线下载控制程序，便于进一步优化风门控制。表1PLC系统配置表CPU ST40 DC/DC/DC通过自身的Profinet端口与在线监测分析平台建立远程通信，远程监控输入输出端口状态和指令运行情况。由于CPU ST40 DC/DC/DC安装在巷道矿用控制箱内，可直接使用开-关-停止等按钮控制风门开合，方便人员或物料通行。因此，风门系统具有远程和就地两种控制方式。为了更直观引导风门开合控制，巷道内CPU ST40DC/DC/DC扩展1个通信模块SB CM01，控制语音声光信号装置。由图2可知，CPU ST40 DC/DC/DC在线处理红外发射和接收、风压和风量等传感器信号，通过电磁换向阀和比例阀控制风门开合状态。为了测量和输出模拟信号，如表1所示，CPU ST40 DC/DC/DC分别扩展1个8路模拟量输入AI模块EM AE08和1个4路模拟量输出AQ模块EM AQ04。3软件设计煤矿风门控制软件采用主程序OB1、子程序、通信和I/O中断等模块化编程，基本流程如图4所示。风门控制具有远程和就地2种方式，当选择就地方式，可通过按钮开-关-停止，调试风门开合，当选择远程方式，主程序循环调用风门开合和模糊PID子程序。风门开合和模糊PID子程序利用中断切换，当通信中断响应后，表明风门需要配合通风机优化调控井下风量，调用模糊PID子程序控制电磁比例阀，调节风门开合程度。对于风门开合控制子程序，当PLC测量红外接收传感器输出高电平信号时，表明巷道有行人或货物需要通行风门。PLC发出控制指令，输出控制电磁换向阀，从而控制风门开合。对于模糊PID控制子程序，需要以风压和风量测量值与参考值之间的偏差e和偏差变化率ec为输入。经模糊化、模糊推理和解模糊，分别给出PID控制参数kp0，ki0，kd0的整定kp，ki，kd。利用整定的PID参数kp1=kp0+kp，ki1=ki0+ki和kd1=kd0+kd控制电磁比例阀，调节风门开度，配合通风机优化调控井下风量。模糊PID控制子程序流程如图5所示。第42卷第03期基于PLC的煤矿风门模糊PID控制系统设计刘瑞涛Vol.42 No.03序号1234设备名称S7-200 SMART PLCRS485/RS232通信8路模拟量输入AI4路模拟量输出AQ型号ST40 DC/DC/DCSB CM01EM AE08EM AQ04设备编码6ES7 288-1ST40-0AA06ES7 288-5CM01-0AA06ES7-288-3AE08-0AA06ES7-288-3AQ04-0AA0数量1111矿用控制器当前风门开启、其他风门闭锁电磁换向阀模糊PID控制器电磁比例阀红外发送和接收传感器风压和风量传感器气动控制对开式风门开-关-停止S7-200 SMARTPLCCPU ST40数字量输入红外传感器门磁开关开门到位测量1蜂鸣器信号灯风量传感器风压传感器开门到位测量2夹人夹物测量RS485/RS232通信SB CM01模拟量输入AI模块EM AE08语音声光信号装置电磁比例阀模拟量输出AQ模块EM AQ04290图4煤矿风门控制软件流程图PLC上电后，寄存器SM0.0产生脉冲并初始化井下风压和风量调控参考值，并将其分别转化为5 53027 648的数字量。模拟信号采样启动，同样将风压和风量传感器测量420 mA模拟信号分别转化为5 53027 648的数字量。计算参考值与模拟采样值间e和ec。根据e和ec查表，确定整定PID参数值kp，ki，kd。总体原则为：先调节kp；当e达到20%的参考值时，增加ki作用，适当降低系统的动态响应；再以ec为指标，增大kd，提高风量调控对外部扰动的稳定性。PID整定后，输出电磁比例阀的控制输出，将输出量5 53027 648转化为模拟信号，调节风门开合状态。4结语本文利用S7-200 SMART PLC设计了煤矿风门自动控制系统。本系统提供远程和就地控制方式，可满足2种实际应用场景：（1）通过红外测量确定是否有行人或货物通信，自动控制风门开关，为井下人员行走和物料运输提供便利；（2）利用模糊PID对风门开合程度进行优化调节，配合通风机优化调控井下风量。本系统具有较高的性价比和自动化控制水平，可满足煤矿安全生产的基本要求。图5煤矿风门模糊PID控制子程序流程图参考文献：1胡福丽.煤矿风门自动闭锁气动控制装置的设计与应用J.山东煤炭科技,2021,39(4):151-152，161.2王开松,许欢,靳华伟,等.煤矿井下风门远程实时监控系统研究J.赤峰学院学报:自然科学版,2021,37(12):15-18.3李腾飞.矿井风网智能调风风门监控系统D.淮南:安徽理工大学,2021.4盛典.基于FLUENT的煤矿井下风门通风系统研究J.煤炭技术,2022,41(5):149-151.作者简介：刘瑞涛（1979-），河北石家庄人，副教授，硕士，从事微控制技术教学与应用研究，电子信箱：liu_.责任编辑：李景奇收稿日期：20220809结束第42卷第03期Vol.42 No.03基于PLC的煤矿风门模糊PID控制系统设计刘瑞涛远程控制？开始是模拟和数字I/O信号测量红外接收高电平？否开-关-停止按钮否是否是否否是是是否风门开合控制子程序模糊PID控制子程序风压、风量满足设定？通信中断？显示数据？报警输出退出主程序？开始是否采样？风压和风量参考值分别写入PLC数据块计算e和ec，并写入PLC数据库对e和ec分别进行模糊化处理查表，确定PID整定值kp、ki、kd对PID参数整定，得kp、ki、kdPID运算，得到电磁比例阀控制输出结束111291