谢彬
(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)
煤炭作为基础能源之一，在电力生产、工业生产、居民生活等诸多领域都发挥了不可替代的作用。
煤炭从矿井中开采出来最初形态为块状，当应用到具体行业或领域后，还需要进行再加工，其中，煤块到煤粉的转换需要通过高速磨煤机来实现[1]。高速磨煤机主要由两部分组成，即给煤单元和磨煤单元。首先煤块通过进料斗进入到给煤单元内部，然后在皮带给煤机的输送下，自由落体到磨煤单元中，再然后通过内部的磨辊进行碾压、粉碎，最后从出料口出来的就是煤粉[2]。在给煤单元与磨煤单元交接的环节，给煤量大小通过给煤机转速来控制，给煤单元转速越高，煤流形成的抛物线越远，这就给磨煤单元的落煤管造成冲击力越大，使得落煤管经常出现损坏的问题[3]。面对这种问题，如何实现高速磨煤机精准落煤成为研究的重点问题之一。基于上述分析，在保证煤块不会冲击到落煤管的前提下，通过精准控制给煤单元转速就能实现高速磨煤机精准落煤。
基于上述分析，提出一种基于PLC与关联规则的高速磨煤机精准落煤控制方法，以期提高高速磨煤机作业质量，降低落煤管损耗。
1.1 精准落煤控制问题描述
落煤管的作用是连接磨煤机给煤和磨煤两个单元[4]。煤块在落煤管中实现2个单元的交接，这时在皮带给煤机的带动下，煤块会呈现抛物线的形式落下，进入到磨煤单元中。给煤单元转速是影响高速磨煤机精准落煤的最关键因素，当皮带给煤机转速过大时，抛物越远，煤块越容易碰触到落煤管，但若是降低给煤单元转速，落煤虽然不会冲击落煤管，但是会降低磨煤工作效率[5]。图1为落煤过程示意图。
图1 落煤过程示意图
由图1可知，精准落煤控制的根本在于给煤机转速的控制，以此降低落煤过程中煤块与落煤管之间碰撞冲击力，减少落煤管损耗的目的[6]。
1.2 基于PLC的控制器设计
PLC被称为逻辑控制器，是控制器当中的核心硬件，其性能直接关系到控制器的整体运行效率和运行质量[7]。围绕PLC设计高速磨煤机精准落煤控制器，设计过程如下：
步骤1：PLC选型；
步骤2：分析控制要求；
步骤3：确定控制器I/O点数；
步骤4：配置PLC的各个硬件系统；
步骤5：自检。检测各个部件是否运行正常；
步骤6：分配I/O点数
步骤7：绘制各个业务逻辑流程图；
步骤8：设计控制程序；
步骤9：程序输入到PLC当中；
步骤10：软件测试；
步骤11：测试是否正常？若正常，进入到步骤14；
否则，修改控制程序，并回到步骤9；
步骤12：设计安装控制柜；
步骤13：现场测试环境搭建；
步骤14：进行控制器整体测试，判断控制器是否满足控制要求？若满足，完成基于PLC的高速磨煤机精准落煤控制器设计；
否则，修改控制器设计，并回到步骤9[8]。
设计的基于PLC的高速磨煤机精准落煤控制器主要由以下6个部分组成，每个部分负责执行不同任务，具体如表1所示[9]。
表1 PLC组成结构
1.3 落煤作业参数关联规则挖掘
皮带给煤机转速是影响高速磨煤机落煤精准度的关键因素，二者之间存在很强的关联性。通过挖掘二者之间的关联知识，为后续控制提供控制准则[10]。关联规则挖掘模型如图2所示。
图2 关联挖掘模型
图2关联挖掘模型中，算法1的作用是从事务数据库Q中发现频繁项目集，算法2的作用是生成关联规则，得到关联规则集合R[11]。下面进行具体分析。
(1)算法1：Apriori算法
利用Apriori算法寻找频繁项目集的具体过程如下：
步骤1：扫描事务数据库Q，确定Q中存在的项目数量；
步骤2：计算每一个项目的支持度，记为Ki,i=1,2,…,n；
步骤3：将支持度Ki与最小支持度阈值进行对比，筛选掉小于最小支持度阈值的项集；
步骤4：重复上述过程，直至事务数据库Q中所有项目集都遍历完毕；
步骤5：完成Q中频繁项集L的寻找[12]。
(2)算法2：改进遗传算法
改进遗传算法生成关联规则具体过程如下：
步骤1：扫描关联规则模式库；
步骤2：对所有关联规则进行编码，产生初始种群；
步骤3：设置初始温度；
步骤4：计算适应度值；
步骤5：执行改进的三项遗传操作；
步骤6：对变异后的个体进行退火操作；
步骤7：退火温度下降；
步骤8：判断第k次迭代时的退火温度是否为0？若为0，进入下一步；
否则，回到步骤6；
步骤9：是否满足终止条件？若满足，规则解码并存入落煤作业参数关联规则库中；
否则，回到步骤2[13]。
通过生成的关联规则，可以很明确皮带给煤机转速与高速磨煤机落煤位置之间的关系，为后续精准控制的实现奠定了基础。
1.4 基于关联规则的高速磨煤机精准落煤控制模型
在高速磨煤机精准落煤控制中，若给煤单元工作部件的转速变化信号能够被检测到，设计的控制模型在基于关联规则的推理下，就能得到控制量数据，以此调控煤块的运送速度，保证煤块的下落位置始终处在一个未接触到落煤管壁的空间位置处，实现精准落煤[14]。
所设计的控制模型是以关联规则为基础，结合数据库，构建知识库[15]。在知识库的推理下，实现高速磨煤机给煤单元转速控制，如图3所示。
图3 基于关联规则的高速磨煤机精准落煤控制模型
在图3中，以落煤抛物实际距离与给定最大距离之间的偏差s(t)及其变化率Δs(t)作为输入量，以高速磨煤机给煤单元转速为输出量。具体控制过程如下：
步骤1：采集高速磨煤机给煤单元落煤抛物的实际距离，记为L1(t)；
步骤2：计算落煤抛物实际距离与给定最大距离之间的偏差s(t)，即：
s(t)=L1(t)-L2(t)
(1)
式中：L2(t)代表给定的落煤抛物最大距离。
步骤3：计算误差变化率Δs(t)。计算公式如下：
(2)
式中：s(t)、s(t+1)代表时刻和t+1落煤抛物实际距离与给定最大距t离之间的偏差；
Δt代表t时刻和t+1时刻之间的时间间隔。
步骤4：对s(t)、Δs(t)进行量化处理，得到S(t)和ΔS(t)
步骤5：采用三角形模糊集合的方法将S(t)和ΔS(t)进行模糊化处理；
步骤6：将2个模糊参数进行尺度变换，将其调整到各自的基本论域范围内；
步骤7：基于上一章节挖掘的关联规则建立模糊控制规则表；
步骤8：基于模糊控制规则进行模糊推理，得到控制量，即高速磨煤机给煤单元转速。
步骤9：控制量解模糊化。公式如下：
(3)
式中：V代表高速磨煤机给煤单元转速；
f(yj)代表yj的隶属度；
yj代表输出量化值；
n代表模糊控制语句数量。
通过模糊控制器计算得出高速磨煤机给煤单元转速参数，控制煤块始终处在一个未接触到落煤管壁的空间位置处，实现精准落煤控制[16]。
2.1 研究对象
方法测试所控制的对象为一台小型高速磨煤机。该设备基本工作参数如表2所示。
表2 高速磨煤机基本工作参数
围绕该高速磨煤机，搭建测试环境。
2.2 PLC选型
高速磨煤机落煤控制器设计中选择的PLC型号为NA300 ，特点包括：采用嵌入式低功耗高性能32位处理器，主频400 MHz；
高速的通讯能力和执行能力；
先进的结构和电气设计，强大的电磁兼容抗干扰性能；
环境适应性强：-25 ℃～+65 ℃(温度)、5%～95%(湿度)；
IO处理能力：支持最大10点数2500点；
程序存储空间8 M，数据8 M，支持32 K用户自定义变量；
高达1 ms的硬件时间戳事件分辨率；
双以太网接口，独立IP地址，可实现网络冗余，支持标准MODBUS TCP协议和OPC协议；
2个RS485接口，端子接线方式，现场调试接线更方便。
2.3 相关参数设置
在测试中，所涉及的所有初始参数如表3所示。
表3 相关参数设置表
2.4 关联规则与模糊规则表
(1)关联规则
基于章节1.3流程的落煤作业参数关联规则挖掘结果如下：
当高速磨煤机给煤单元转速高于40 r/min，落煤抛物实际距离大于给定最大距离，发生冲击碰撞；
当高速磨煤机给煤单元转速在30～40 r/min范围内，精准落煤，煤块在落煤管中中空落下；
当高速磨煤机给煤单元转速小于30 r/min范围内，不符合落煤效率要求。
(2)模糊规则表
将挖掘的关联规则转换为模糊控制规则表，如表4所示。
表4 模糊控制规则表
2.5 控制结果
以5 min为一个测试时间尺度，利用基于关联规则的控制模型对高速磨煤机落煤进行精准控制。控制结果如图4和图5所示。
图4 磨煤机给煤单元转速控制轨迹
图5 磨煤机落煤抛物距离变化轨迹
从图4和图5中可以看出，所研究方法控制下，磨煤机给煤单元转速始终保持在30～40 r/min范围内，对应的落煤抛物最大距离始终在0～30 cm之间，且大部分距离数据都在15 cm附近，说明煤块在落煤管中中空落下，没有发生碰撞冲击，实现了高速磨煤机精准落煤控制。
为提高煤炭的燃烧效率以及质量，提出一种基于PLC与关联规则的高速磨煤机精准落煤控制方法，基于PLC，在关联规则的推理下，得出控制量，让落煤抛物距离始终保持在设定的范围内，调控煤块的运送速度，保证煤块的下落位置始终处在一个未接触到落煤管壁的空间位置处，有效避免了碰撞冲击现象的发生，实现高速磨煤机精准落煤控制。然而，本研究存在需要改进的地方，即未将煤块大小考虑在内，因此在未来研究中，有待进一步分析。
猜你喜欢煤块抛物磨煤机氯化钠溶液对煤体致裂增透实验研究安全(2022年10期)2022-11-07高空抛物罪的实践扩张与目的限缩法律方法(2022年2期)2022-10-20带非线性梯度项的p-Laplacian抛物方程的临界指标数学物理学报(2022年5期)2022-10-09孩子成绩差，圣诞礼物送煤块环球时报(2020-12-25)2020-12-25筒式磨煤机用三相异步电动机电磁性能计算与分析防爆电机(2020年4期)2020-12-14越南最大煤块文萃报·周五版(2020年10期)2020-03-23最大煤块（大家拍世界）环球时报(2020-03-05)2020-03-05MPS型中速磨煤机产生振动的原因及消除方法电子制作(2019年18期)2019-10-11不要高空抛物！小天使·一年级语数英综合(2018年11期)2018-11-23高空莫抛物小学阅读指南·低年级版(2018年5期)2018-11-02