基于PLC與關聯規則的高速磨煤機精準落煤控制方法

謝彬

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

煤炭作為基礎能源之一，在電力生產、工業生產、居民生活等諸多領域都發揮了不可替代的作用。

煤炭從礦井中開采出來最初形態為塊狀，當應用到具體行業或領域后，還需要進行再加工，其中，煤塊到煤粉的轉換需要通過高速磨煤機來實現[1]。高速磨煤機主要由兩部分組成，即給煤單元和磨煤單元。首先煤塊通過進料斗進入到給煤單元內部，然后在皮帶給煤機的輸送下，自由落體到磨煤單元中，再然后通過內部的磨輥進行碾壓、粉碎，最后從出料口出來的就是煤粉[2]。在給煤單元與磨煤單元交接的環節，給煤量大小通過給煤機轉速來控制，給煤單元轉速越高，煤流形成的拋物線越遠，這就給磨煤單元的落煤管造成沖擊力越大，使得落煤管經常出現損壞的問題[3]。面對這種問題，如何實現高速磨煤機精準落煤成為研究的重點問題之一?；谏鲜龇治?，在保證煤塊不會沖擊到落煤管的前提下，通過精準控制給煤單元轉速就能實現高速磨煤機精準落煤。

基于上述分析，提出一種基于PLC與關聯規則的高速磨煤機精準落煤控制方法，以期提高高速磨煤機作業質量，降低落煤管損耗。

1 基于PLC與關聯規則的高速磨煤機精準落煤控制研究

1.1 精準落煤控制問題描述

落煤管的作用是連接磨煤機給煤和磨煤兩個單元[4]。煤塊在落煤管中實現2個單元的交接，這時在皮帶給煤機的帶動下，煤塊會呈現拋物線的形式落下，進入到磨煤單元中。給煤單元轉速是影響高速磨煤機精準落煤的最關鍵因素，當皮帶給煤機轉速過大時，拋物越遠，煤塊越容易碰觸到落煤管，但若是降低給煤單元轉速，落煤雖然不會沖擊落煤管，但是會降低磨煤工作效率[5]。圖1為落煤過程示意圖。

圖1 落煤過程示意圖

由圖1可知，精準落煤控制的根本在于給煤機轉速的控制，以此降低落煤過程中煤塊與落煤管之間碰撞沖擊力，減少落煤管損耗的目的[6]。

1.2 基于PLC的控制器設計

PLC被稱為邏輯控制器，是控制器當中的核心硬件，其性能直接關系到控制器的整體運行效率和運行質量[7]。圍繞PLC設計高速磨煤機精準落煤控制器，設計過程如下：

步驟1：PLC選型；

步驟2：分析控制要求；

步驟3：確定控制器I/O點數；

步驟4：配置PLC的各個硬件系統；

步驟5：自檢。檢測各個部件是否運行正常；

步驟6：分配I/O點數

步驟7：繪制各個業務邏輯流程圖；

步驟8：設計控制程序；

步驟9：程序輸入到PLC當中；

步驟10：軟件測試；

步驟11：測試是否正常？若正常，進入到步驟14；否則，修改控制程序，并回到步驟9；

步驟12：設計安裝控制柜；

步驟13：現場測試環境搭建；

步驟14：進行控制器整體測試，判斷控制器是否滿足控制要求？若滿足，完成基于PLC的高速磨煤機精準落煤控制器設計；否則，修改控制器設計，并回到步驟9[8]。

設計的基于PLC的高速磨煤機精準落煤控制器主要由以下6個部分組成，每個部分負責執行不同任務，具體如表1所示[9]。

表1 PLC組成結構

1.3 落煤作業參數關聯規則挖掘

皮帶給煤機轉速是影響高速磨煤機落煤精準度的關鍵因素，二者之間存在很強的關聯性。通過挖掘二者之間的關聯知識，為后續控制提供控制準則[10]。關聯規則挖掘模型如圖2所示。

圖2 關聯挖掘模型

圖2關聯挖掘模型中，算法1的作用是從事務數據庫Q中發現頻繁項目集，算法2的作用是生成關聯規則，得到關聯規則集合R[11]。下面進行具體分析。

(1)算法1：Apriori算法

利用Apriori算法尋找頻繁項目集的具體過程如下：

步驟1：掃描事務數據庫Q，確定Q中存在的項目數量；

步驟2：計算每一個項目的支持度，記為Ki,i=1,2,…,n；

步驟3：將支持度Ki與最小支持度閾值進行對比，篩選掉小于最小支持度閾值的項集；

步驟4：重復上述過程，直至事務數據庫Q中所有項目集都遍歷完畢；

步驟5：完成Q中頻繁項集L的尋找[12]。

(2)算法2：改進遺傳算法

改進遺傳算法生成關聯規則具體過程如下：

步驟1：掃描關聯規則模式庫；

步驟2：對所有關聯規則進行編碼，產生初始種群；

步驟3：設置初始溫度；

步驟4：計算適應度值；

步驟5：執行改進的三項遺傳操作；

步驟6：對變異后的個體進行退火操作；

步驟7：退火溫度下降；

步驟8：判斷第k次迭代時的退火溫度是否為0？若為0，進入下一步；否則，回到步驟6；

步驟9：是否滿足終止條件？若滿足，規則解碼并存入落煤作業參數關聯規則庫中；否則，回到步驟2[13]。

通過生成的關聯規則，可以很明確皮帶給煤機轉速與高速磨煤機落煤位置之間的關系，為后續精準控制的實現奠定了基礎。

1.4 基于關聯規則的高速磨煤機精準落煤控制模型

在高速磨煤機精準落煤控制中，若給煤單元工作部件的轉速變化信號能夠被檢測到，設計的控制模型在基于關聯規則的推理下，就能得到控制量數據，以此調控煤塊的運送速度，保證煤塊的下落位置始終處在一個未接觸到落煤管壁的空間位置處，實現精準落煤[14]。

所設計的控制模型是以關聯規則為基礎，結合數據庫，構建知識庫[15]。在知識庫的推理下，實現高速磨煤機給煤單元轉速控制，如圖3所示。

圖3 基于關聯規則的高速磨煤機精準落煤控制模型

在圖3中，以落煤拋物實際距離與給定最大距離之間的偏差s(t)及其變化率Δs(t)作為輸入量，以高速磨煤機給煤單元轉速為輸出量。具體控制過程如下：

步驟1：采集高速磨煤機給煤單元落煤拋物的實際距離，記為L1(t)；

步驟2：計算落煤拋物實際距離與給定最大距離之間的偏差s(t)，即：

s(t)=L1(t)-L2(t)

(1)

式中：L2(t)代表給定的落煤拋物最大距離。

步驟3：計算誤差變化率Δs(t)。計算公式如下：

(2)

式中：s(t)、s(t+1)代表時刻和t+1落煤拋物實際距離與給定最大距t離之間的偏差；Δt代表t時刻和t+1時刻之間的時間間隔。

步驟4：對s(t)、Δs(t)進行量化處理，得到S(t)和ΔS(t)

步驟5：采用三角形模糊集合的方法將S(t)和ΔS(t)進行模糊化處理；

步驟6：將2個模糊參數進行尺度變換，將其調整到各自的基本論域范圍內；

步驟7：基于上一章節挖掘的關聯規則建立模糊控制規則表；

步驟8：基于模糊控制規則進行模糊推理，得到控制量，即高速磨煤機給煤單元轉速。

步驟9：控制量解模糊化。公式如下：

(3)

式中：V代表高速磨煤機給煤單元轉速；f(yj)代表yj的隸屬度；yj代表輸出量化值；n代表模糊控制語句數量。

通過模糊控制器計算得出高速磨煤機給煤單元轉速參數，控制煤塊始終處在一個未接觸到落煤管壁的空間位置處，實現精準落煤控制[16]。

2 方法測試與分析

2.1 研究對象

方法測試所控制的對象為一臺小型高速磨煤機。該設備基本工作參數如表2所示。

表2 高速磨煤機基本工作參數

圍繞該高速磨煤機，搭建測試環境。

2.2 PLC選型

高速磨煤機落煤控制器設計中選擇的PLC型號為NA300 ，特點包括：采用嵌入式低功耗高性能32位處理器，主頻400 MHz；高速的通訊能力和執行能力；先進的結構和電氣設計，強大的電磁兼容抗干擾性能；環境適應性強：-25 ℃～+65 ℃(溫度)、5%～95%(濕度)；IO處理能力：支持最大10點數2500點；程序存儲空間8 M，數據8 M，支持32 K用戶自定義變量；高達1 ms的硬件時間戳事件分辨率；雙以太網接口，獨立IP地址，可實現網絡冗余，支持標準MODBUS TCP協議和OPC協議；2個RS485接口，端子接線方式，現場調試接線更方便。

2.3 相關參數設置

在測試中，所涉及的所有初始參數如表3所示。

表3 相關參數設置表

2.4 關聯規則與模糊規則表

(1)關聯規則

基于章節1.3流程的落煤作業參數關聯規則挖掘結果如下：

當高速磨煤機給煤單元轉速高于40 r/min，落煤拋物實際距離大于給定最大距離，發生沖擊碰撞；

當高速磨煤機給煤單元轉速在30～40 r/min范圍內，精準落煤，煤塊在落煤管中中空落下；

當高速磨煤機給煤單元轉速小于30 r/min范圍內，不符合落煤效率要求。

(2)模糊規則表

將挖掘的關聯規則轉換為模糊控制規則表，如表4所示。

表4 模糊控制規則表

2.5 控制結果

以5 min為一個測試時間尺度，利用基于關聯規則的控制模型對高速磨煤機落煤進行精準控制?？刂平Y果如圖4和圖5所示。

圖4 磨煤機給煤單元轉速控制軌跡

圖5 磨煤機落煤拋物距離變化軌跡

從圖4和圖5中可以看出，所研究方法控制下，磨煤機給煤單元轉速始終保持在30～40 r/min范圍內，對應的落煤拋物最大距離始終在0～30 cm之間，且大部分距離數據都在15 cm附近，說明煤塊在落煤管中中空落下，沒有發生碰撞沖擊，實現了高速磨煤機精準落煤控制。

3 結束語

為提高煤炭的燃燒效率以及質量，提出一種基于PLC與關聯規則的高速磨煤機精準落煤控制方法，基于PLC，在關聯規則的推理下，得出控制量，讓落煤拋物距離始終保持在設定的范圍內，調控煤塊的運送速度，保證煤塊的下落位置始終處在一個未接觸到落煤管壁的空間位置處，有效避免了碰撞沖擊現象的發生，實現高速磨煤機精準落煤控制。然而，本研究存在需要改進的地方，即未將煤塊大小考慮在內，因此在未來研究中，有待進一步分析。