基于SCADA-PLC模型的矿山平巷误差控制系统设计_俞艳波.pdf

，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期作者简介：俞艳波（），男，工程师，本科，研究方向为矿山测量及三维实体建模与研究；杨双龙（），男，工程师，本科，研究方向为矿山测量及三维实体建模与研究；杨立涛（），男，工程师，大专，研究方向为矿山井下贯通测量误差预计与研究；魏朝庭（），男，工程师，本科，研究方向为矿山井下施工测量误差预计与研究；李小松（），男，工程师，本科，研究方向为矿山测量及三维实体建模与研究。文章编号：（）基于 模型的矿山平巷误差控制系统设计俞艳波，杨双龙，杨立涛，魏朝庭，李小松（玉溪矿业有限公司，云南，玉溪 ）摘要：为了降低矿山平巷测量的误差，设计了一个基于 模型的矿山平巷误差控制系统。系统硬件部分重点设计了 的选型、通信模块、模入模出单元三部分，系统软件部分主要设计了 控制算法，通过 模块获得模拟量反馈信号，将其转换为数字量信号并和给定值比较得出偏差，将偏差送入 中进行 算法出库，实现了对误差的控制。完成基于 模型的矿山平巷误差控制系统的设计。实验结果表明研究系统的定位误差较低，导线点点位误差、腰线偏差为 左右，并且控制时间较少，平均为 ，满足了矿山平巷误差控制系统设计需求。关键词：模型；矿山平巷；误差控制中图分类号：文献标志码：，（，）：，：，：；引言矿山巷道测量是地下工程测量中的一项，好的矿山巷道测量技术对指导地下开采具有积极的作用，对于提高矿井生产经营效率，起到了很大的支撑作用，反之，则会给矿井生产经营带来很大的冲击和损失。针对目前矿山测量中存在的问题，设计矿山巷道误差控制系统是必要的。廉旭刚等提出利用三维激光扫描技术与国外进口的配套软件，解决了采集数据质量不佳，点云数据匹配度精度较低的问题，实现了在特殊监测领域的应用。田大明提出在 测量时，基于多路径效应采用仪器对比法进行试验，实现了观测精度的提高，可以满足矿山普通测量的要求。但传统方法的计算冗余度较高，且对误差的控制精度已不能满足当前矿山开采的需要。因此，本文提出设计一个基于 模型的矿山平巷误差控制系统。系统兼具检测系统和数据采集功能拥有和 几乎相同的网络结构，该系统不仅能通过对运行的设备进行实时检测为相关数据采集提供帮助，还能及时对设备相关参数进行精准调整且当发现异常信号出现时能够进行报警。较 系统的设计和使用上不仅和 系统控制思想相似且功能上更加便捷、经济有效，已成为工业过程控制领域中的一个新的研究热点。本文在软件部分设计上，引入 控制算法，通过转化数字量信号，采用递推原理处理输出值，大大减少了计算冗余度，有效精准控制误差。实验结果表明，通过此次研究的基于 模型的矿山平巷误差控制系统，明显降低了控制误差，并减少了控制时间，具有一定应用性。，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期基于 模型的系统硬件设计 的选型目前，国内外工业控制领域广泛采用德国西门子公司 系列新一代工业控制可编程控制器，该控制器不仅功能强、速度快、可伸缩性好，而且结构紧凑、扩展方便、不需插槽且还能应用于矿山平巷测量。因其具有特殊的开放性和延展性还能够为将来矿山平巷测量的扩容和改造提高系统的稳定性和可靠性，是现有的便利手段之一。图是关于 系统结构和硬件组成的框架图。图 系统结构框图该 系统的具体特点如下。（）具有较大的存储容量，并且指令执行速度较快，定时器数量 较 多，适 用 于 矿 山 平 巷 测 量 多 维 度 数 据 采 集 与处理。（）在应用 时，需要 直流电源，为了能够满足实际应用需求，需要将电流进行转换，从而实现 的供电，并在对其供电的同时，对传感器与其他执行器等设备供电，实现矿山平巷测量设备的统一供电，减少布线工作量，降低能耗。（）通讯接口较多。采用 、和 实现总线与工业网络的连接。的点到点连接方案：通过多点接口 集成到 内，可实现连接 工业、编程程序 、操作面板 等 。实现矿山平巷测量的统一管理，实时感知矿山平巷的监测信息，并可通过无线通信实现数据传输，进行远程智能控制。通信模块设计 的 系统能够为工业用户提供完善的通信功能。通过该系统，可快速实现矿山平巷的现场控制设备 以及测量过程监控计算机 之间的通讯的测量，从而实现 现场级和过程监控级的对接，矿山平巷测量 系统结构如图所示。多总线工业控制计算机是用来实现矿山平巷测量传感器间通讯的，该系统支持多个体系结构，主要包含多处理器体系结构与单处理器，使应用程序配置灵活、功能强大、简单。采用新的 技术可以快速完成通信任务，支持从位到 位的多个处理器，结构可靠、定义明确、记录良好，易于实现矿山平巷测量的实时多任务操作。采用 奔腾系列方正牌机、内存 、硬盘 旋转、软驱翼、光驱全功能，具备强大的进程间通信和监控的功能，可用于矿山平巷误差控制系统中。通信结构图如图所示。图 系统图 通信结构 模入模出单元设计模拟控制在 的应用中不可或缺，厂商均配套扩展模块，方便 对模拟信号进行处理，可以使模拟和数字信号进行转换。扩展模拟的输入输出过程在数据采集过程中无法剔除，单单使用现有的模块成本就很高，无法完成全部扩展；对成套小的旧设备改造，存在模块不能扩展的情况。所以，设计一个定制的模拟 模块来替代传统 支持生产的 、模块，不仅能保证矿山平巷测量需求的扩展，还能使成本降到最低，关键是 点的数量可以进行定制，并且具有很大的灵活性，大大提高了矿山平巷测量在实际应用中的灵活性和通用性，降低了成本。因为可编程逻辑器件有大量的输入输出端口，操作简单、兼容性好，根据矿山平巷测量的要求，可将测量过程做详细划分，分为若干个流程以便于上位机的操作，通过编写不同的逻辑器件程序实现对不同流程模块的控制。该设计采用 实现了 的自定义功能，符合矿山平巷测量的实际操作情况，采用单片机和 技术设计了单元模块，定制模拟 模块的结构如图所示。，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期图自定义模拟模块结构单片机模块是整个定制行程口模输入输出单元的核心，该设计主要包括单片机选型和单片机与 接口设计两部分。单片机模块设计（）单片机选型，本模块采用与 内核兼容的 增强单片机 。由于新 单片机的指令代码与老式的 完全兼容，可在矿山平巷测量中快速执行操作指令。内置 振荡器是 系列单片机的标准配置，适用于矿山平巷测量中对时钟频率要求不敏感的情况，因为外部环境的变化会导致矿山平巷测量数据的漂移和误差。时钟单元由 晶体振荡器设计而成，其拥有 贴片电容，在晶体外部振荡模式下能够增强矿山平巷测量的抗干扰能力。（）单片机与 接口设计，均可直接连接 电源。因其具有自定义输入输出端口功能，所以 的、端口可以与任何可编程逻辑器件端口连接。当单片机因故障或其他原因中断时，可编程逻辑器件端口与 接口连接，实现矩阵键盘的控制，避免矿山平巷测量程序中断。模块设计 是一种可以自编程序实现定制逻辑功能的专用集成电路，解决了矿山平巷数据采集、控制的问题，减少了测量数 据 丢 失 等 现 象。模 块 选 用 的 是 型 号 为 的可擦除可编程逻辑器。该器件为具有高密度、高性能等优点。拥有 个宏单元，使用时需要 电源电压，个 ，满足管脚数和逻辑门数的基本要求。电源模块设计本装置的硬件运作时需要 电源作为主要供电来源，该电源为 、芯片的参考源，同时将 电源作为 和 的参考源。在得到 之后，将 伏交流电源转换为变压器，得到 电压，此时 电源由 和 稳定，经过稳定后的电压分别为和。以此实现了矿山平巷测量的稳定电源输出，达到了电路运行可靠的效果。其他模块设计其他模块设计包括 显示模块和键盘模块两部分。其中，显示模块为通过动态扫描个位段的数码管生成的显示界面。该模块使用过程中可以通过按键显示测试期间模组与 的通讯状态，还可以设定模拟讯号的输入或输出值及按键状态值。因其数码管驱动器使用电源电压和 的输出电压不同，所以 还需要 的电阻和的拉阻。该软件主要完成数码管的解码、动态扫描、数据传输等功能。能够为每个数码管指定一个地址，即将控 制 中 所 需 显 示 的 数 据 对 应 写 到 改 地 址 的 数 码管中。键盘模块使用的行列式键盘设计。该模块包含 个阿拉伯数据、个开始键和测试键、个设置键，主要通过单片机进行数据的输入与发送。该模块使用过程中先用按键来判断行程的数量，再用扫描的方法来判断列的数量，也就是说，使每一行一个位于低电平，另一个位于高电平，这样就可以得到按键所要显示的列数。这样才能判断具体的按钮。对矿山平巷测量误差的控制中，通过 扫描键盘分配地址，并将因误差产生的中断信号发送至单片机后，在中断程序中读取地址获取按键，最后实现对矿山平巷测量的控制。基于上述过程完成系统硬件的设计，为矿山平巷误差控制实现提供基础。矿山平巷误差控制系统软件设计在上述系统硬件设计的基础上，对系统进行软件设计。根据系统硬件实时提供的模拟量反馈信号，获取由模块转换的数字量信号后，将其与矿山平巷控制量的给定值进行比较。通过对比给定值和模拟值获取矿山平巷误差控制偏差值，以此作为 程序的输入实现误差矿山平巷误差控制，通过 算法出库完成软件设计。根据设计系统采样时的矿山平巷误差控制偏差值计算系统所需的控制量：（）（）（）（）（）式中，（）为第次采样时系统所需的控制量，（）为第次采样的矿山平巷误差控制偏差值，为微分常数。因上述计算中，每次输出均与上一次状态有关，会使其工作负担逐步增加，所以本文采用递推原理，进行计算：（）（）（）（）（）（）通过上述过程对矿山平巷误差控制，以此完成矿山平巷误差控制系统软件的设计。实验对比以某矿山为实验地区，采集平巷数据，在 平台进行仿真实验，以验证基于 模型的矿山平巷误差控制系统的有效性。并为了保证实验的严谨性，将文献 系统、文献 系统与此次研究的控制系统进行对比，对比三种方法对矿山平巷腰线和导线点点位的定位误差、控制时间，实验结果如下。定位误差对比在这部分实验对比上，主要对比应用三种控制方法后，矿山平巷测量的腰线偏差与导线点点位误差，其对比结果如图所示。通过分析上图可知，此次研究的基于 模型的矿山平巷误差控制系统控制后，腰线偏差较小，为 ，研究与设计微型电脑应用 年第 卷第期左右，而传统系统控制后腰线偏差较大，证明传统两种系统比此次研究的控制系统控制效果好。图腰线偏差对比图导线点点位误差对比通过图可知，传统控制系统在导线点点位定位上，定位误差较大，远远大于此次研究的控制系统的导线点点位误差。通过上述结果能够表明此次研究的基于 模型的矿山平巷误差控制系统的定位误差较低，为左右，原因是此次研究的控制系统采用了 模型，通过硬件设计提高数据采集处理的准确性，软件部分采用的 控制算法处理数据，减少了冗余数据，避免对数据处理产生干扰，从而降低了定位误差。控制时间对比以控制时间为指标，分析本文系统、文献 系统和文献 系统的控制性能。矿山平巷误差时间越短，表明对应系统控制性能越好，结果如图所示。图控制时间对比由图可知，通过此次研究的基于 模型的矿山平巷误差控制系统控制时间明显少于传统控制系统，平均为 。本文系统通过转化数字量信号，采用递推原理处理输出值，大大减少了计算冗余度，实现有效精准控制误差，证明了此次研究的控制系统的有效性。总结本文设计了一个基于 模型的矿山平巷误差控制系统，硬件部分从 的选型、通信模块、模入模出单元三个方面进行了设计，软件方面将矿山平巷控制量数据输入至 程序中实现矿山平巷误差控制。实验结果表明，通过该系统能够减少定位误差，并能够减少控制时间，具有较好的误差控制效果。但是，此次研究的方法未验证复杂特殊的监测区域下矿山平巷误差控制的有效性，为此在后续研究中，需要根据实际情况，不断优化此次研究的系统并进一步试验，希望此次研究的矿山平巷误差控制系统能够为矿山平巷误差控制提供帮助。参考文献王风基于 模型的矿山通风自动监测矿业研究与开发，（）：廉旭刚，蔡音飞，胡海峰我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题金属矿山，（）：田大明 在矿山测量中的外部符合精度试验研究化工矿物与加工，（）：李桂丹，刘麒一种基于西门子 系列 的智能并行控制系统模型电子器件，（）：郑勇，焦静，王金丽，等多功能互补型沼气干发酵反应器增温装置控制系统