摩擦式提升機制動力矩閉環(huán)調(diào)節(jié)方案研究與設(shè)計

齊衛(wèi)東 趙 強 張 浩

(1.棗莊礦業(yè)集團公司蔣莊煤礦，山東省滕州市，277519；2.棗莊礦業(yè)集團公司供電工程處，山東省薛城市，277000)

摩擦式提升機屬于典型的位能負(fù)荷性旋轉(zhuǎn)機械，一般選用事故安全型的盤式制動閘作為其制動執(zhí)行機構(gòu)。目前，國內(nèi)一些煤礦主井提升機實現(xiàn)了自動化控制，但仍需要操作人員現(xiàn)場監(jiān)控，副井提升機還沒有實現(xiàn)自動化提升。無論是實現(xiàn)自動化控制的提升機，還是人工操作的提升機，都會出現(xiàn)因機械狀態(tài)不完好、數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)、局部部件失效的情況下提升機停車位置不準(zhǔn)確、啟動過程中倒車等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)提升機重載下放事故。究其原因，主要是制動力矩閉環(huán)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)單純?nèi)∽詫嶋H速度和給定速度的差值信號，同時采用時間延遲邏輯的開環(huán)控制模式，未能和電磁轉(zhuǎn)矩、提升負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩、提升方向等參數(shù)形成一套完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用具有綜合閉環(huán)調(diào)節(jié)功能的制動力矩調(diào)節(jié)方案，是保障摩擦式提升機安全運行的關(guān)鍵技術(shù)。

1 摩擦式提升機制動系統(tǒng)控制方案現(xiàn)狀分析

在摩擦式提升機電氣控制系統(tǒng)中，可調(diào)閘是制動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。其基本經(jīng)歷了兩個階段，一個階段是以磁放大器為控制核心的模擬量控制系統(tǒng)，另一個階段是以可編程控制器為控制核心的數(shù)字量控制系統(tǒng)。兩種控制模式在邏輯上相同，只是后者用數(shù)字化參量代替了早期的模擬化參量，計算機程序取代了繼電器系統(tǒng)邏輯關(guān)系，目前在控制方案上具有一致性。

1.1 提升機操作方式分析

摩擦式提升機在人工操作控制模式下，司機收到開車信號后，根據(jù)信號點數(shù)來判斷提升方向，然后向前或向后推出主令開關(guān)決定正反向提升。主令開關(guān)一般采用接點式開關(guān)或兩相光電編碼器，依靠接點式開關(guān)接點組合或兩相光電編碼器分區(qū)計數(shù)量控制加速等級。主令開關(guān)推出，提升機通電對鋼絲繩短暫緊繩后，然后推出可調(diào)閘開關(guān)?？烧{(diào)閘開關(guān)一般采用自整角機、滑線電阻或兩相光電編碼器，自整角機輸出電流、滑線電阻分壓電壓或兩相光電編碼器計數(shù)量決定了液壓站壓力，調(diào)整盤式制動閘蝶形彈簧壓縮狀態(tài)調(diào)節(jié)制動力矩。若司機操作配合不好，會出現(xiàn)提升機倒車、停車不穩(wěn)、反轉(zhuǎn)或者重載下放事故，方向記憶保護容易被復(fù)位，失去方向記憶作用。同樣在自動化控制模式下，也會出現(xiàn)提升機倒車、停車不穩(wěn)、反轉(zhuǎn)或者重載下放事故。

1.2 可調(diào)閘放大器控制方案分析

可調(diào)閘開關(guān)在全制動位置安裝零位檢測開關(guān)，一旦可調(diào)閘開關(guān)手柄推出零位，零位檢測開關(guān)立即閉合，可調(diào)閘放大器上電，同時可調(diào)閘放大器加載提升機速度給定和速度測量信號。可調(diào)閘開關(guān)手柄推出角度越大，可調(diào)閘放大器輸出信號幅值就越大，直至達到設(shè)定的最大值。當(dāng)提升機速度測量信號大于速度給定信號時，可調(diào)閘輸出信號按比例減小，調(diào)節(jié)制動系統(tǒng)制動力矩。在提升機錯向保護下，可調(diào)閘放大器斷電，輸出信號回零。隨著可調(diào)閘開關(guān)手柄的拉回，可調(diào)閘放大器輸出信號按比例減小?？烧{(diào)閘放大器輸出信號可控制液壓站電液調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)液壓油壓力變化，平衡盤式制動閘蝶形彈簧壓縮狀態(tài)，可產(chǎn)生不同的制動力矩。

1.3 可調(diào)閘回路安全可靠性分析

提升機在啟動、運行、停車過程中，制動力矩調(diào)控與電磁正負(fù)轉(zhuǎn)矩依靠時間延遲匹配，處于開環(huán)狀態(tài)下運行，除錯向保護動作產(chǎn)生緊急停車狀態(tài)外，提升機在司機操作失誤、機械狀態(tài)不完好、數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)、局部部件失效的情況下，會出現(xiàn)提升機停車位置不準(zhǔn)確、啟動過程倒車，甚至出現(xiàn)重載下放事故。錯向保護也容易被司機復(fù)位，失去方向記憶作用，尤其在重載提升與提升機運行方向相反時，更易造成加速滑繩、重載下放事故，可靠性不高，有些煤礦主提升機發(fā)生過此類事故。

2 摩擦式提升機制動力矩閉環(huán)方案設(shè)計

對提升機制動力矩、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩、提升方向等參數(shù)進行綜合分析計算，實現(xiàn)制動力矩閉環(huán)調(diào)控，保障提升機制動力矩始終與運轉(zhuǎn)狀況相適應(yīng)，是解決提升機運行、停車、啟動過程中倒車、停車不可靠、重載下放等事故的技術(shù)關(guān)鍵。

2.1 可調(diào)閘閉環(huán)調(diào)節(jié)方案硬件組成

可調(diào)閘閉環(huán)調(diào)節(jié)方案中，硬件主要有可調(diào)閘放大器、電磁轉(zhuǎn)矩檢測、提升信號檢測、提升速度檢測、提升負(fù)荷檢測、制動壓力檢測、提升方向檢測等裝置組成，硬件組成如圖1所示。

圖1 可調(diào)閘閉環(huán)調(diào)節(jié)方案硬件組成圖

電磁轉(zhuǎn)矩檢測由DSP數(shù)字信號處理器、電壓電流互感器、采樣保持電路等器件組成，主要作用是完成提升機電動機電磁轉(zhuǎn)矩的取樣計算；提升信號檢測由S7-300可編程控制器數(shù)字量輸入模塊組成，主要作用是采集提升信號點數(shù)，判斷提升方向；提升速度檢測由兩相光電編碼器、S7-300可編程控制器高速計數(shù)模塊組成，主要作用是換算提升機運行速度，同步換算提升行程；提升負(fù)荷檢測由壓力傳感器、多路開關(guān)、單片機、無線發(fā)射器、無線接收器、數(shù)據(jù)處理器等組成，主要作用是實時采集提升鋼絲繩繩端負(fù)荷，計算提升負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩；制動壓力檢測由液壓傳感器完成，安裝在液壓站油管路出口處；提升方向檢測主要由S7-300可編程控制器數(shù)字量輸入模塊或相序鑒別器組成，通過讀取摩擦式提升機換向接觸器的合閘狀態(tài)或鑒別輸入電動機定子的電壓相序，判斷摩擦式提升機實際的送電方向，以開關(guān)量形式發(fā)送給可調(diào)閘放大器；可調(diào)閘放大器由S7-300可編程控制器、MP370觸摸屏等電氣元件組成。

2.2 可調(diào)閘閉環(huán)調(diào)節(jié)方案原理

可調(diào)閘放大器對提升信號、行程、速度、負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩、方向和電磁轉(zhuǎn)矩綜合分析計算，在各種工況下實時對制動力矩調(diào)整，同時反饋調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩。提升重載啟動過程中，在電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩的條件下，按照給定曲線加速，同時慢速解除制動，否則施加制動力矩，避免提升重載啟動時倒車。下放重載啟動過程中，在電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩的條件下，按照給定曲線加速，同時慢速解除制動，否則施加制動力矩，避免下放重載啟動時過速。在提升重載、下放重載運行過程中，實時對比電磁轉(zhuǎn)矩(下放重載時為負(fù)電磁力矩，提升機向電網(wǎng)回饋電能或向電阻設(shè)備耗能)與負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩差值，通過調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩，控制提升機運行于給定速度下，保證提升機平穩(wěn)可靠運行。在提升重載、下放重載停車過程中，實時調(diào)節(jié)盤式制動閘間隙，在盤式制動閘貼閘狀態(tài)下停車，實現(xiàn)提升重載停車時不倒車、給定速度下下放重載停車時不過位。

2.3 可調(diào)閘閉環(huán)調(diào)節(jié)流程圖

可調(diào)閘放大器送電后，首先進行初始化，調(diào)用主程序和分支程序，掃描各個數(shù)據(jù)單元賦值情況并進行運算，一旦有開車信號輸入，可調(diào)閘放大器立即調(diào)用提升負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩數(shù)據(jù)單元，在提升負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩數(shù)據(jù)單元提供有效數(shù)據(jù)的條件下，可調(diào)閘放大器向液壓站和提升機電控系統(tǒng)輸出啟動信號，同時判斷電磁轉(zhuǎn)矩與提升負(fù)荷旋轉(zhuǎn)力矩差值和判斷提升方向，如果啟動過程正常，可調(diào)閘放大器則進入運行過程、停車過程的閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。無論啟動、運行過程，還是停車過程，一旦可調(diào)閘放大器計算出提升機工況不正常，則分別向提升機電控系統(tǒng)和液壓站發(fā)出失電和抱閘信號，實現(xiàn)提升機安全可靠制動停車?？烧{(diào)閘自動調(diào)節(jié)流程如圖2所示。

圖2 可調(diào)閘自動調(diào)節(jié)流程圖

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)煤礦副井摩擦式提升機還未實現(xiàn)自動化控制，主要制約因素在于制動力矩未能與負(fù)荷轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、提升方向等參數(shù)形成一套完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化控制的主井提升機也僅靠各環(huán)節(jié)間時間延遲關(guān)系實現(xiàn)，可靠性不高。綜合摩擦式提升機運行工況，實時檢測位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，跟蹤位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩差值運算結(jié)果，采用實現(xiàn)閉環(huán)控制的柔性制動系統(tǒng)，無論在自動化提升模式中，還是在人工操作的模式上，都是保障摩擦式提升機安全可靠運行的關(guān)鍵技術(shù)。