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1、前言第1章 前言Chapter 1 Preface1.1 概述(Introduction)矿井钢丝绳牵引带式输送机（钢缆皮带）是用两条无极的牵引钢丝绳作为牵引机构，胶带带有特制的双面耳槽搭在两条无极钢丝绳上作为承载物料的构件，由传动滚筒和钢丝绳间的摩擦力驱动钢丝绳和胶带运行,其结构如图11所示。图11 钢缆皮带结构图Figure 11 configuration figure of the wire rope strap高强度的钢缆皮带输送机主要用于长距离、大运量的运输。由于钢丝绳承担牵引力，其运输距离一般都大于1km，最长可达几十公里。它具有在运输线上转折少，矿石粉渣少，操作人员少，维护方便
2、，运行可靠，输送能力大，功率消耗少，可以兼运物料和人员等优点。因此，钢丝绳牵引带式输送机作为一种重要的运输设备被广泛应用在煤矿生产运输的一些环节中，发挥着巨大的作用。从上个世纪中期，我国大型矿井相继安装了数百条这种带式输送机。随着采煤面的不断加深，一条钢缆皮带已经不能完成煤炭运输任务，所以目前煤矿一般采用多条皮带加上转载机和煤仓进行接力运输，从而构成了矿井主运系统。1.2 问题的提出(Question Proposing)我国是一个矿产资源丰富的国家，采矿业在国民经济中占有很大比重。作为工业粮食的煤炭，经过上世纪九十年代的低谷以后，进入二十一世纪发生了巨大变化。过去长期我国煤炭产量一直不高，不
3、到10年时间煤炭产量翻一翻，一跃成为世界第一产煤大国。同时，随着石油资源的紧张、石油价格的飙升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。随着煤矿向着大型化、信息化、现代化迅猛发展，迫切需要高新技术装备，但中国煤炭行业的生产和安全形势却不容乐观，大部分设备相对还较为陈旧，有的虽有改进，但还是远不能满足数字时代的要求。煤矿安全生产迫切要求更可靠、灵敏、准确、更安全的数字化产品。作为煤炭生产的重要环节煤炭运输环节更加需要现代化技术的改造。煤矿钢缆皮带主运系统安装于煤矿井下倾斜的巷道中，由电机通过滚筒牵引钢丝绳使皮带正反方向运转，从而达到提升与下放煤炭、矸石、材料、人员等目的，是矿井生产的关键设备。钢
4、缆皮带电控系统不同于一般的强力皮带只要启动、停止控制，正常运转时要经过起动、加速、等速、减速、爬行、减速、停止等不同的调速过程，而且由于原煤运输线路长、生产环节多、工艺复杂、运输量不均衡、设备负荷变化大、频繁停车等原因,造成用人多、电力损耗大,事故率居高不下。目前国有钢缆皮带主运系统的原煤电耗一般为1040kWh/t,一个150万吨的矿井的耗电量，相当于一个中等城市的照明用电。因此，在满足拉煤量要求的基础上，如何适时调整机组的工况，使机组时刻处于经济运行状态，实现其效率最优化控制，从而达到减人提效的目的，对于整个主运系统的节能降耗和经济效益提高有着十分重要的意义。1.3 国内外研究现状及发展趋
5、势(Domestic and Foreign Research Application and Present Situation)目前矿井钢缆皮带电控系统基本上是集中式数字控制系统，虽然其自身自动化程度已经较高，但一个矿井有数条安装于井下不同水平的钢缆皮带组再加上转载机和给煤机，相互钢缆皮带间无直接的联、闭锁关系，整个运输系统的自动化程度和运输效率较低。为了提高矿山自动化水平，紧跟世界领先科技，完善和提高钢缆皮带组的自动控制技术，达到减人提效，保证安全、可靠、高效运行的目的，就必须将矿井钢缆皮带组和转载机、给煤机组成一个网络控制系统，最终通过网络控制系统能实现基本控制、补偿计算、参数修改、报
6、警、显示、监控、故障诊断、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。对于钢缆皮带机组进行网络控制时不仅要实现简单的开停控制，而且还要求系统能在运行过程中自动控制、自动监测、自动报警、自动保护、自动操作和自动调节等功能，如采用传统的控制方式，无法用普通的控制电缆来传输庞大的监控信息，更不能实现如此复杂的控制功能。因此，运用迅速发展的工业网络通信技术来解决数据传输问题，是实现钢缆皮带主运系统网络控制的有效手段。1.3.1 工业网络控制系统的研究现状与发展趋势(Research Application and Present Situation Of Industrial Net Control S
7、ystem)工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。工业网络自出现以来，已广泛应用于钢铁、化工、军事、楼宇控制等行业及领域。具体有以下三种类型:1、专用、封闭型工业网络: 该网络规范是由各公司自行研制, 往往是针对某一特定应用领域而设, 效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐, 推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向: 走向封闭系统, 以保证市场占有率。走向开放型, 使它成为标准。设计专用的Gateway与开放型网络连接。2、开放型工业网络: 除了一些较简单的标准是无条件开放外, 大部分是有条件开放, 或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的
8、成员, 产品需经过该组织的测试、认证, 方可在该工业网络系统中使用。3、标准工业网络: 符合国际标准IEC61158、IEC62026、ISO11519 或欧洲标准EN50170的工业网络, 它们都会遵循ISO/OSI 7层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面, 或是自己设计通信界面,依据应用领域设定数据传输格式。工业网络控制系统从50年代发展起来，经历了从模拟到数字、从集中到分散的过程，当前正朝着全分散、全数字、全开放的控制网络系统方向发展。本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生第一代工业网络控制系统CCS (计算机集中控制系统
9、)。在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成工业网络控制体系。CCS在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性低，实时性差。真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。分散控制使得系统由于某个局部不可靠而造成的对整个系统损害降到很低的程度，极大地提高了整个系统的可靠性。然而DCS的缺点也是十分明显的，首先其结构是多级主从关系，底层间信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低，并且主机
10、一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”。其次它是一种数字模拟混合系统，DCS的现场仪表仍然使用传统的4-20mA电流模拟信号，传输可靠性差，成本高。再有各厂家的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运而生，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点，式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制系统结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层: 物理层、数据链路
11、层和应用层。例如,DeviceNet 的物理层与数据链路层是以CANbus为基础, 再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。目前IEC61158 认可的八种工业现场总线标准分别是: Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P - NET、FoundationFieldbus、SwiftNet、WorldFIP 和Interbus。工业控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。目前的现场总线种类繁多，开放性是有条件的、不彻底的、互不兼容。而以太网TCP/IP协议的开放性使其在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。以太网传输速度高、低耗、易
12、于安装和兼容性好，它支持几乎所有流行的网络协议。近些年来，以太网进入控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这是工业自动化系统向开放透明的、分布化、智能化控制方面发展的必然要求。1.3.2 网络控制系统的现状与发展趋势（Research Application and Present Situation Of Network Control System）一段时间以来，工业网络技术在工业过程控制中主要应用于数据采集系统的数据传输，属于开环系统。随着工业网络技术的发展及其与计算机技术、信息技术、控制技术、和通信技术的结合，孕育了网络控制系统(Networked Control System N
13、CS)。网络控制系统是指在控制通道和反馈通道中加入实时通讯网络而形成闭环的控制系统。“Networked control systems”最早于1998年出现在马里兰大学G.C.Walsh的论著中，但并没有给出明确的定义，只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控制系统”；重庆大学的张结斌等用了“分布式网络控制系统”这样的术语。清华大学的顾洪军给出了明确的定义：网络控制系统(NCS)，又称为网络化的控制系统,即在网络环境下实现的控制系统，是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数
14、据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。从网络结构上来说，NCS和工业网络控制系统并没有本质区别，都是多个节点共享信道，用来传输实时或非实时数据；但从定义上看，工业网络控制系统侧重的是节点之间实时或非实时数据的传输和共享，而NCS则强调在通信网络上建立闭环控制回路，从这一点看NCS中的网络是一个广义的范畴，其网络的含义又不局限于工业网络，还可以包括无线通信网、Internet等。NCS以其系统连线少、可靠性高、易于系统扩展以及能够实现信息资源的共享等优点，在工业控制、运动体控制、楼宇自动化等领域得实现信息资源共享到了广泛的应用。网络控制系统的一般结构如图1-2所示:由此图
15、可知，其通讯网络中的信号主要在以下3个节点间传递，它们是:传感器节点、控制器节点和执行器节点。不同节点间的数据信息的传递都会因通讯网络的存在而产生一定的时延，在NCS中，实时检测和控制数据在网络上传输，各网络节点必须紧密地工作以完成控制任务。网络通道图12 NCS的结构图Figure 12 configuration figure of NCS网络控制系统有两种基本的控制结构：直接结构和层次结构。直接结构的网络控制系统由控制器和远程系统组成,远程系统包括被控对象、传感器和执行器。控制器和被控对象位于不同的物理位置,通过数字网络直接连接以实现远程闭环控制。这种直接结构的网络控制有1999年Ove
16、rstreet和Tzes实现的远程学习实验室,2001年Tipsuwan和Chow实现的直流电机速度控制系统。层次结构的网络控制系统由主控制器和远程闭环系统组成。主控制器周期性的计算并通过网络以帧或包的方式发送参考信号给远程系统,远程系统以此参考信号作为给定值实现闭环控制,同时将被控对象的输出经传感器检测并以帧或包的方式通过网络返回给主控制器以实现网络闭环控制。这种结构的网络控制系统有2002年Tipsuwan和Chow的摇控机器人,1998年Tarn和Xi的远程手术等。1999年Tipsuwan和Chow对具有延时的直流电机系统进行了PI控制研究,研究结果表明随着的增大,系统的超调增大,调节时间加长,系统性能降低。1987年Kuo对延时对系统稳定性的影响进行了研究。结果表明当延时增大时，根轨迹向右弯曲程度增大，相应的穿过纵轴的值越小，值是用于调节比例积分控制器的比例和积分放大倍数并保证比例与积分放大倍数的比值不变的参数，
