礦井提升機(jī)行程控制研究

褚新勝, 成夢(mèng)玲, 司玉華

(1. 臨沂會(huì)寶嶺鐵礦有限公司 山東 臨沂 277700； 2. 江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 213000)

提升機(jī)是礦上運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備,它也是往復(fù)運(yùn)行于井上和井下的機(jī)械設(shè)備,由于這樣的工藝特點(diǎn),礦上對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)的高效性、安全性和可靠性具有較高的要求,而提升機(jī)的控制主要是對(duì)行程的控制,它是控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),不僅影響提升機(jī)停車(chē)的精度,還關(guān)系到礦上的正常生產(chǎn),因此研究提升機(jī)行程控制有重要意義。

行程給定就是根據(jù)提升機(jī)行程來(lái)確定速度給定信號(hào),提升機(jī)減速段的速度給定信號(hào)如果是按時(shí)間給定的,則不管提升機(jī)運(yùn)行的速度多大,它都按恒定減速度、恒定減速點(diǎn)進(jìn)行減速,減速距離隨著提升機(jī)最大運(yùn)行速度變化而變化,減速距離發(fā)生變化,爬行距離也隨之變化,提升機(jī)運(yùn)行速度高,則減速距離變長(zhǎng),爬行距離縮短,相反的,就會(huì)減速距離縮短,爬行距離變長(zhǎng),影響提升周期;若提升機(jī)速度給定信號(hào)采用行程給定,減速點(diǎn)隨著提升機(jī)最大運(yùn)行速度變化而變化,在減速到停車(chē)區(qū)間時(shí),就可根據(jù)提升機(jī)提升容器距停車(chē)點(diǎn)距離確定速度給定信號(hào),在停車(chē)區(qū)間的任何一個(gè)位置都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)行程給定的速度信號(hào),它只與提升機(jī)提升容器的位置有速距離縮短,爬行距離變長(zhǎng),影響提升機(jī)提升周期。提升機(jī)減速段的速度關(guān),所以不管提升機(jī)是手動(dòng)或者自動(dòng),都可按行程給定產(chǎn)生的速度信號(hào)減速運(yùn)行,并且安全可靠,停車(chē)準(zhǔn)確,克服了時(shí)間給定方式缺點(diǎn)。

我國(guó)大多數(shù)提升機(jī)行程控制采用機(jī)械式控制,很難滿(mǎn)足現(xiàn)代高效性的提升機(jī)控制系統(tǒng),因此將PLC應(yīng)用到提升機(jī)行程控制,按行程控制要求對(duì)系統(tǒng)硬件配置,設(shè)計(jì)軟件方案,滿(mǎn)足提升機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)行程控制的要求。

1 S形速度曲線(xiàn)的產(chǎn)生

文中采用圖1的S形速度曲線(xiàn)[2],曲線(xiàn)模型如下:

圖中曲線(xiàn)分為四段:起動(dòng)加速段(0～t3)、勻速段(t3～t4)、減速段 (t4～t7)和爬行段 (t7～t8)。

1)起動(dòng)加速段公式

2)勻速段公式

其中,a1為起動(dòng)加速段的最大加速度,單位為m/s2,r1為0～t1段加速度變化率,r2為t2～t3段加速度變化率,r1和r2單位為m/s3,

圖1 提升機(jī)S形速度曲線(xiàn)Fig. 1 S-shape speed curve of the hoist

3)減速段公式

4)爬行段公式

其中，a2為起動(dòng)減速段的最大減速度,單位為m/s2,r3為t4～t5段加速度變化率,r4為t6～t7段加速度變化率,r3和r4單位為m/s3,vp為爬行的速度,一般取0.2～0.5,單位為m/s。

2 行程控制及其算法分析

提升機(jī)的行程控制,是對(duì)提升機(jī)實(shí)際行程進(jìn)行 采集,根據(jù)行程-速度曲線(xiàn)計(jì)算出速度給定值,以控制提升機(jī)運(yùn)行速度,提升機(jī)減速段的速度給定信號(hào)是按行程控制給定的[3-4],減速段速度曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 提升機(jī)減速運(yùn)行段速度曲線(xiàn)Fig. 2 Speed curve of the slow running period of the hoist

2.1 變減速度行程控制算法

提升機(jī)變減速度行程控制是根據(jù)提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度最大值vm來(lái)調(diào)整減速度a2,若vm大,則調(diào)大a2,若vm小,則調(diào)小a2這樣可獲得較好的減速效果,在調(diào)整a2時(shí),也要調(diào)整r3和r4,否則會(huì)使提升機(jī)加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)給定速度發(fā)生跳變。

2.2 變減速點(diǎn)行程控制算法

提升機(jī)在減速段各個(gè)區(qū)間公式分析如下:

1)提升機(jī)減速段提升容器在各段曲線(xiàn)公式

提升機(jī)的提升容器從減速段運(yùn)行到爬行點(diǎn)之后,會(huì)以恒速度進(jìn)入低速運(yùn)行段以便停車(chē),爬行距離sp一般取2～5 m。

2)提升機(jī)減速段行程距離值公式

提升機(jī)在減速段及爬行段,其行程距離分別是Δs5、Δs6、Δs7及sp,總的減速行程距離為sj=Δs5+Δs6+Δs7+sp,在提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況中,最大速度值vm是個(gè)變量,小于或者大于最大給定的速度,假若vm低于最大給定速度,減速點(diǎn)后移,假若vm高于最大給定速度,減速點(diǎn)提前,這是定減速度、變減速點(diǎn)的策略,改變減速點(diǎn)以保證爬行距離不變,提升機(jī)改變的運(yùn)行參數(shù)只有Δs5、Δs6和Δs7,而減速度a2、減速度變化率r3、r4保持不變。

在勻速運(yùn)行階段時(shí),提升機(jī)能夠檢測(cè)到實(shí)際運(yùn)行最大速度vm而提升機(jī)總的減速行程距離sj在減速度變化率r3、r4保持不變時(shí),只與vm有關(guān),因此在上述算法中可求得Δs5、Δs6和Δs7,即為實(shí)際減速點(diǎn)位置,這也是此行程控制算法采用的方式。

3 提升機(jī)速度信號(hào)的給定方式分析

提升機(jī)速度信號(hào)的給定包括時(shí)間給定與行程給定[5],提升機(jī)在起動(dòng)加速段的速度都是運(yùn)行時(shí)間的函數(shù),并且初加速時(shí)刻提升機(jī)行程值為零,速度給定也為零,按行程給定方式會(huì)使提升機(jī)無(wú)法運(yùn)行,因此在加速段采用時(shí)間方式給定速度信號(hào)就比較簡(jiǎn)單易行,減速段速度信號(hào)采用行程給定,其分析如下:

由前面減速段公式可知,在減速段t4≤t≤t5區(qū)間:

其中,r3、r4和a2已知,vm在勻速段可測(cè)出,Δs5(t)、Δs6(t)和Δs7(t)是以實(shí)際的減速點(diǎn)k5、k6和k7為參考點(diǎn)的減速行程,通過(guò)檢測(cè)實(shí)際行程可以求得。

4 提升機(jī)行程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

行程控制主要是以行程為自變量,按照行程給定產(chǎn)生S形速度曲線(xiàn)的速度給定信號(hào),實(shí)現(xiàn)提升機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.1 行程控制系統(tǒng)硬件配置

行程控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC S7-300,它以CPU為核心,硬件配置[6]主要有1個(gè)電源模塊PS 307,1個(gè)中央處理模塊CPU 315,1個(gè)計(jì)數(shù)模塊FM 350,1個(gè)模擬量輸入、輸出模塊SM331、SM332,3個(gè)數(shù)字量輸入、輸出模塊SM321、SM322,S7-300

圖3 行程控制信號(hào)給定框圖Fig. 3 Signals given block digaram of the travel control

PLC以位運(yùn)算為主,完成邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。

提升機(jī)行程控制系統(tǒng)中,在其滾筒和天輪上都安裝軸編碼器,產(chǎn)生脈沖信號(hào),行程控制系統(tǒng)的PLC計(jì)數(shù)模塊對(duì)軸編碼器的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù),得到提升機(jī)提升容器實(shí)際位置,通過(guò)行程計(jì)算得到速度給定信號(hào),完成行程控制,控制給定如圖3所示,PLC的計(jì)數(shù)模塊FM350記錄軸編碼器的脈沖信號(hào),SM331輸入測(cè)速發(fā)電機(jī)的模擬量信號(hào),SM332輸出速度給定模擬量信號(hào);SM321輸入數(shù)字量信號(hào),將其轉(zhuǎn)換成內(nèi)部信號(hào),在SM322進(jìn)行開(kāi)關(guān)量速度和行程的輸出。

4.2 速度行程給定PLC控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示,主程序主要完成模塊的初始化、調(diào)試、參數(shù)的設(shè)置及調(diào)用子程序。其中高速計(jì)數(shù)及數(shù)據(jù)處理子程序流程圖如圖5所示,E1為滾筒編碼器,E2為天輪編碼器,在對(duì)編碼器數(shù)值讀取并進(jìn)行處理后,得到提升機(jī)的實(shí)際距離并顯示;行程監(jiān)控子程序流程圖如圖6所示,用來(lái)判斷提升容器是否到達(dá)減速點(diǎn)和停車(chē)點(diǎn),如果達(dá)到減速點(diǎn)進(jìn)行減速控制,如果到達(dá)停車(chē)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)制動(dòng);速度監(jiān)控子程序流程圖如圖7所示,用來(lái)將實(shí)際速度與給定速度進(jìn)行比較,若超速15%則進(jìn)行報(bào)警處理,否則將返回主程序。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of the system master

圖5 高速計(jì)數(shù) 模 塊子程序流程圖Fig. 5 Flow chart of the subprogram of the high-speed counting

圖6 行程監(jiān)控子程序流程圖Fig. 6 Flow chart of the subprogram of the travel monitoring

圖7 速度監(jiān)控子程序流程圖Fig.7 Flow chart of the subprogram of the speed monitoring

提升機(jī)速度信號(hào)采用行程控制的方式給定,由PLC軟件實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行的S形速度曲線(xiàn),提升機(jī)在起動(dòng)加速段運(yùn)行時(shí),則采用時(shí)間方式給定速度,當(dāng)運(yùn)行到全速段時(shí),讀取最大運(yùn)行速度并暫存,此階段根據(jù)提升機(jī)提升容器的行程距離值公式,得到實(shí)際減速點(diǎn)的位置,當(dāng)提升機(jī)由全速段運(yùn)行到減速點(diǎn)時(shí),并不是立即進(jìn)入減速段,而是等提升機(jī)提升容器到達(dá)實(shí)際減速點(diǎn)才進(jìn)入減速階段,在此階段利用行程給定方式給定速度信號(hào),這樣即使較低,也可以縮短提升機(jī)運(yùn)行中爬行行程和提升循環(huán)周期,提高提升機(jī)運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

提升機(jī)的提升工藝具有特殊控制要求,因此采用PLC實(shí)現(xiàn)行程控制[7],生成S形速度曲線(xiàn),速度信號(hào)在加速段利用時(shí)間方式給定,在減速段利用行程方式給定,使速度曲線(xiàn)光滑平穩(wěn),提升機(jī)行程控制系統(tǒng)的應(yīng)用,為其安全可靠的運(yùn)行與高精度控制提供了重要保障。

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