制動(dòng)控制系統(tǒng)在礦用提升機(jī)中的應(yīng)用研究

李世東

（山西省壽陽(yáng)縣解愁鄉(xiāng)榮家溝麥捷煤業(yè)有限公司 ，山西 壽陽(yáng) 045400）

0 引 言

隨著國(guó)家技術(shù)水平的不斷提升，礦用提升機(jī)作為煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，憑借其高工作效率、操作方便等優(yōu)勢(shì)，在煤礦中得到了廣泛應(yīng)用，而提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的性能好壞，直接影響著提升機(jī)的工作效率及運(yùn)行安全性。目前，大多煤礦中的提升機(jī)主要采用PLC進(jìn)行控制，雖能準(zhǔn)確可靠的對(duì)提升機(jī)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行有效控制，但針對(duì)提升機(jī)運(yùn)行復(fù)雜、超負(fù)荷作業(yè)等工作狀態(tài)，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)已無(wú)法較好的滿足。開(kāi)展高性能、高可靠性、功能更加齊全的提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)，已成為當(dāng)下煤礦領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的方向。

因此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，找到了其存在的主要問(wèn)題，以此為基礎(chǔ)，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)方面，建立了一套響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定的礦用提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)；并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可行性。該研究對(duì)提高礦用提升機(jī)的制動(dòng)控制效率和制動(dòng)安全性具有重要意義。

1 提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)存在問(wèn)題

結(jié)合工程實(shí)際，提升機(jī)提升速度過(guò)小會(huì)較難制止事故的發(fā)生，而提升速度過(guò)大則會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)載能力及人員安全造成較大影響。因此，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，提升機(jī)上升速度應(yīng)小于等于5m/s2，下降速度應(yīng)大于等于1.5m/s2。針對(duì)此工作要求，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過(guò)研究，設(shè)計(jì)了一套減速制動(dòng)系統(tǒng)，主要通過(guò)檢測(cè)提升過(guò)程中運(yùn)行速度，換算成對(duì)應(yīng)的加速度值，根據(jù)一定的控制算法對(duì)制動(dòng)油壓進(jìn)行調(diào)整控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)升降速度的控制。同時(shí)，在提升機(jī)減速過(guò)程中，設(shè)置了一定的緩沖區(qū)域，有效改善了提升機(jī)對(duì)運(yùn)載設(shè)備及人員的沖擊影響。

但針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上的提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)，存在如下問(wèn)題：

1）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)基本采用了PLC進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控及制動(dòng)控制等命令，但普遍存在控制精度較低、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，針對(duì)復(fù)雜工況，無(wú)法及時(shí)的進(jìn)行控制響應(yīng)；

2）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中大多采用PID算法，但其計(jì)算精度及響應(yīng)速度無(wú)法滿足復(fù)雜工況的使用需求，雖部分學(xué)者對(duì)控制算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，但其運(yùn)行穩(wěn)定性仍相對(duì)較差，減速制動(dòng)控制精度較低；

3）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備精度不夠、硬件系統(tǒng)運(yùn)行故障、軟件系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行等現(xiàn)象，整體存在運(yùn)行故障率相對(duì)較高、維修周期相對(duì)較長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致了提升機(jī)經(jīng)常因控制系統(tǒng)的故障問(wèn)題而無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響著煤礦的生產(chǎn)效率。

因此，加強(qiáng)對(duì)提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的性能提升，對(duì)提高煤礦的生產(chǎn)效率及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

2 提升機(jī)新型制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是減速制動(dòng)控制系統(tǒng)的重要系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)主要由CPU、核心主板、外圍電路基板、各類(lèi)傳感器、保護(hù)電路、外圍電路基板、功能電路、各類(lèi)接口等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，CPU是硬件系統(tǒng)的核心，前端傳感器檢測(cè)的相關(guān)信號(hào)，經(jīng)通訊線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸后，進(jìn)入CPU中，由CPU對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、處理，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)及顯示設(shè)備及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的控制顯示信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的制動(dòng)控制功能。因此，在CPU設(shè)計(jì)中，主要采用了STM32系列的微處理，其主核可達(dá)70MHz，額定工作電流為36mA，并設(shè)置了多種類(lèi)型的通訊接口，具有能耗低、接口豐富、計(jì)算控制響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。同時(shí)，在保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，利用工業(yè)級(jí)的隔離技術(shù)，分別采取過(guò)保護(hù)和反保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)措施進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，并在保護(hù)線路中設(shè)計(jì)了1A的可自動(dòng)恢復(fù)的過(guò)流保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)，當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)流或短路故障時(shí)，保險(xiǎn)絲會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，以此來(lái)保護(hù)電路，當(dāng)過(guò)流故障得到有效排除后，保險(xiǎn)絲則會(huì)自動(dòng)恢復(fù)閉合。另外，在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行速度控制，主要采用了速度編碼器進(jìn)行控制，首先將其安裝在被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)采集提升機(jī)的運(yùn)行速度，并將其轉(zhuǎn)換減速度偏差值，再將信號(hào)發(fā)送至CPU進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的閉環(huán)制動(dòng)控制；針對(duì)提升機(jī)制動(dòng)過(guò)程中液壓系統(tǒng)，采用了MB330型油壓傳感器，通過(guò)檢測(cè)提升機(jī)液壓系統(tǒng)中的壓力值，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，并傳輸至CPU中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)升降中液壓系統(tǒng)的控制。

圖1 提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中的神經(jīng)，其在實(shí)際使用過(guò)程中，需具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換、控制命令發(fā)出、故障報(bào)警提示、數(shù)據(jù)通訊、人機(jī)界面顯示等功能，其功能簡(jiǎn)圖如圖2所示。因此，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。該方案中，軟件系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集功能、溢流閥控制功能、故障診斷檢測(cè)功能、人機(jī)交互顯示功能、減速控制算法功能等，而在各個(gè)功能下端，又分別設(shè)計(jì)了多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。在該系統(tǒng)中，采用了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可兼容不同功能類(lèi)型的模塊，即用戶(hù)根據(jù)自己的需要，可快速在該操作系統(tǒng)中添加、修改或減小相關(guān)功能，并通過(guò)該操作系統(tǒng)，對(duì)多種功能進(jìn)行并行處理，提高了控制系統(tǒng)的處理速度和運(yùn)行可靠性。

圖2 軟件系統(tǒng)總體方案框架圖

2.2.2 主界面設(shè)計(jì)

圖3 控制系統(tǒng)主界面

同時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)的主界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其顯示界面如圖3所示。該界面中可對(duì)提升機(jī)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，并將實(shí)際速度與設(shè)置的理論速度進(jìn)行對(duì)比顯示；同時(shí)，可將提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各階段的制動(dòng)信號(hào)、開(kāi)車(chē)信號(hào)、停車(chē)信號(hào)、故障信號(hào)等在該界面中進(jìn)行顯示；另外，也設(shè)計(jì)了故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查看功能，可針對(duì)提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)及所有運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，為后期全面掌握提升機(jī)全過(guò)程的運(yùn)行情況提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 制動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

結(jié)合前文對(duì)提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在將其應(yīng)用到煤礦中提升機(jī)前，需對(duì)其運(yùn)行功能及可靠性能進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證。因此，借助于某公司之間的項(xiàng)目合作平臺(tái)，通過(guò)搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的方法，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試研究。該試驗(yàn)平臺(tái)主要包括提升機(jī)測(cè)試平臺(tái)、編碼器、各類(lèi)傳感器及控制電路等，其測(cè)試平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4所示。

圖4 制動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了為期48h的連續(xù)試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，該系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，速度響應(yīng)較快，能將各類(lèi)傳感器檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算處理，并及時(shí)向液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)和人機(jī)顯示界面發(fā)出相應(yīng)的控制和顯示信號(hào)，且液壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)接到相關(guān)控制命令后，能準(zhǔn)確的對(duì)提升機(jī)的升降速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制和平穩(wěn)過(guò)渡，在顯示界面上，能繪制出提升機(jī)的整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)曲線；同時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行了故障模式設(shè)置，該控制系統(tǒng)針對(duì)提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的故障問(wèn)題，能在顯示界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并繪制成相關(guān)曲線，而電路中的保護(hù)電路能針對(duì)故障問(wèn)題執(zhí)行延時(shí)或及時(shí)斷路操作。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，操作人員只需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，即可掌握提升機(jī)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。由此，驗(yàn)證了該提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，能滿足《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求，可進(jìn)一步在礦用提升機(jī)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

4 總 結(jié)

1）通過(guò)對(duì)煤礦提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)有情況的分析，找到了其使用中存在的主要問(wèn)題，為后期開(kāi)展制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供了改進(jìn)參考；

2）以現(xiàn)有制動(dòng)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)方面，對(duì)制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，建立了一套響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定的礦用提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)；

3）通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)所建立的制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：所建立的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確的對(duì)提升機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行控制，針對(duì)提升機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障問(wèn)題，能發(fā)出響應(yīng)的故障報(bào)警提示，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性；

4）該研究對(duì)提高提升機(jī)的制動(dòng)控制效果和運(yùn)行安全性具有重要作用，可為后期開(kāi)展制動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)研究提供指導(dǎo)。