礦用無極繩絞車自動控制系統(tǒng)設(shè)計

李玉寧

（山西晉神能源有限公司，山西 河曲 036500）

無極繩絞車是井下利用鋼絲繩雙向牽引的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備。普通的無極繩絞車，大都采用手柄控制模式對運(yùn)輸速度進(jìn)行控制。手柄控制存在精度低、監(jiān)控手段匱乏、安全性低、驅(qū)動裝置所受沖擊力大等不足。為解決這一難題，設(shè)計了一種以PLC 邏輯編程單片機(jī)與PID 控制器為基礎(chǔ)的自動化絞車液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了無極繩絞車的安全性，降低了絞車的操控難度。

1 JKY 絞車控制系統(tǒng)原理

井下無極繩絞車操控時，操控工人手動對絞車變量泵（ZBS-H915）的轉(zhuǎn)子偏心度進(jìn)行操控，從而調(diào)節(jié)變量泵體的流量值，控制絞車運(yùn)行狀態(tài)下的速度變化。液壓絞車控制系統(tǒng)見圖1。控制系統(tǒng)設(shè)計屬于無反饋系統(tǒng)設(shè)計，所以絞車操控工人要不斷地手動操作使絞車運(yùn)行速度處于正常狀態(tài)。由于沒有反饋和顯示系統(tǒng)，所以絞車運(yùn)行時的速度、平穩(wěn)度和準(zhǔn)確性無法進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)，僅依賴于操控者的經(jīng)驗，存在不足。

圖1 JKY 絞車控制系統(tǒng)示意圖

2 絞車液壓自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動控制原理

絞車工作狀態(tài)共有三種：絞車下放、上提和停止制動。在控制系統(tǒng)中，單片機(jī)可以通過控制手柄所處的狀態(tài)以及其輸入信號的大小來判斷絞車的運(yùn)行狀況，同時做出與控制手柄同步的響應(yīng)，圖2 是絞車具體的響應(yīng)流程圖。

控制手柄處于上推狀態(tài)時，無極繩絞車可對相關(guān)設(shè)備和材料進(jìn)行提升。上推程度越高，絞車提升速度越快。這時控制系統(tǒng)中的三位四通電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)位于左側(cè)，而兩位四通電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)位于右側(cè)，且兩位兩通電磁閥此時處于工作狀態(tài)，以控制絞車制動器松閘。絞車上提時，驅(qū)動電機(jī)帶動鋼絲繩正轉(zhuǎn)，帶動設(shè)備、材料提升?？刂葡到y(tǒng)中的PID 控制設(shè)備和PLC 邏輯編程單片機(jī)通過監(jiān)測手柄上推程度，與預(yù)置程序進(jìn)行比較，輸出既定信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過絞車卷筒的傳動進(jìn)行速度控制。

圖2 絞車響應(yīng)流程圖

當(dāng)控制手柄處于下推狀態(tài)，可控制絞車向下運(yùn)動。則上述三位四通電磁閥、兩位四通電磁閥和兩位兩通電磁閥所處的位置與絞車提升時相反，即電磁閥分別位于右側(cè)、左側(cè)和關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)過1.5s 的預(yù)置時間后，兩位兩通電磁閥打開，絞車液壓制動器松閘，制動停止，驅(qū)動電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，向下運(yùn)動。此時控制系統(tǒng)中的PID 控制器和PLC 邏輯編程單片機(jī)通過監(jiān)測手柄下推程度，與預(yù)置程序進(jìn)行比較，輸出既定信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過絞車卷筒的傳動進(jìn)行速度控制。

當(dāng)控制手柄處于未動作狀態(tài)時，無極繩絞車停止運(yùn)動。此時控制設(shè)備和單片機(jī)監(jiān)測到手柄位置后按照預(yù)置程序，將絞車卷筒轉(zhuǎn)速降至0，同時控制液壓系統(tǒng)制動裝置，使其制動。當(dāng)絞車遇到緊急情況需要制動時，可手動拉起制動桿，使絞車卷筒停轉(zhuǎn)，以達(dá)到緊急制動目的。

2.2 速度自動控制分析

2.2.1 轉(zhuǎn)速區(qū)間控制分割

絞車手柄受到操控時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)被PLC 邏輯編程單片機(jī)讀取，并對比傳感器所監(jiān)測的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，取差值△w。此時，控制手柄指示方向和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同，則此時的△w絕對值除以20 r/min，得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。先將目標(biāo)轉(zhuǎn)速取整，記為i，然后將目標(biāo)轉(zhuǎn)速分為（i+1）個區(qū)間轉(zhuǎn)速，將前i 個區(qū)間目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制時長定為1s。如果△w值是正數(shù)，則在前i個區(qū)間電機(jī)轉(zhuǎn)速均增加20 r/min，并保持至第i區(qū)間結(jié)束。在第i 區(qū)間結(jié)束后，此時目標(biāo)轉(zhuǎn)速將和控制手柄控制的轉(zhuǎn)速一致；如果△w為負(fù)時，在前i個區(qū)間，將每個區(qū)間的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速減少20 r/min，并保持至第i區(qū)間結(jié)束，結(jié)束后，此時目標(biāo)轉(zhuǎn)速將和控制手柄所調(diào)整的轉(zhuǎn)速一致。

當(dāng)控制手柄指示的方向和此時電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反時，對目標(biāo)轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn)將分為兩個階段：第一個階段需要將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為0，然后對當(dāng)前驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取差，求取△w值，然后將目標(biāo)轉(zhuǎn)速區(qū)間分割；第二個階段將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為控制手柄指示的速度，然后與0 轉(zhuǎn)速取差求△w值，再將目標(biāo)轉(zhuǎn)速區(qū)間分割。

2.2.2 PID 速度控制

控制系統(tǒng)中的PLC 邏輯編程單片機(jī)對控制手柄指示的目標(biāo)轉(zhuǎn)速度區(qū)間分割后，每一個速度區(qū)間內(nèi)，單片機(jī)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速分割值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與驅(qū)動電機(jī)角速度傳感器監(jiān)測的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行對比，計算旋轉(zhuǎn)速度和當(dāng)前區(qū)間目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差。差值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，模擬信號傳輸至PID 控制器中，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。通過（i+1）個區(qū)間的調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速就調(diào)整為控制手柄的指示速度，完成了對無極繩絞車運(yùn)行速度的精確控制。

3 模擬試驗

3.1 試驗?zāi)Ｐ徒?/h3>

本次采用AMEsim 軟件對設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬測試，使用AMEsim 軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行模擬控制。模擬時設(shè)置PID 參數(shù)，設(shè)定K1為60，Kp為1400，KD 為1100，設(shè)置絞車驅(qū)動電機(jī)的最大拉力值為500kg，模擬轉(zhuǎn)速設(shè)置為0 r/min～ -40 r/min和-50 r/min～0 r/min 等，觀測在此情況下絞車驅(qū)動電機(jī)的響應(yīng)反饋和轉(zhuǎn)速控制情況。模擬時間開始設(shè)為0 s ，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為0.01s，模擬總時間分別為6 s、24 s。

3.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)控制手柄指示目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為-40 r/min 時，絞車驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速從0 r/min 至-40 r/min 的響應(yīng)曲線見圖3。當(dāng)控制手柄指示目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0 r/min時，絞車驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速從-50 r/min 降至0 r/min 的響應(yīng)曲線見圖4。

由圖3 可以看出，在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速由0 r/min至-40 r/min 的過程中，制動閘啟動時間延遲了1.5 s。在速度下降的整個過程中，旋轉(zhuǎn)速度未發(fā)現(xiàn)有較大波動。速度調(diào)整總共耗時3.6 s，絞車驅(qū)動電機(jī)的最終旋轉(zhuǎn)速率保持于-39.60 r/min，比目標(biāo)值-40 r/min減小了0.40 r/min，在允許誤差1 r/min 范圍內(nèi)。

圖3 -40～0 r/min 旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)曲線

圖4 -50～0 r/min 旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)曲線

由圖4 中知，在絞車驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速由-50 r/min變?yōu)? r/min 的過程中，PLC 邏輯編程單片機(jī)將指示的目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整分為了3 個階段，即轉(zhuǎn)速從-50 r/min至-30 r/min、從-30r/min 至-10 r/min 和轉(zhuǎn)速從-10 r/min 至0 r/min 三部分。PID 控制器調(diào)整轉(zhuǎn)速-50 r/min至-30 r/min 階段總耗時1s，-30 r/min 至-10 r/min 階段總耗時1 s，-10 r/min 至0 r/min 階段總耗時4 s。在整個絞車驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整的過程中，未發(fā)現(xiàn)絞車運(yùn)行速度出現(xiàn)大幅變化，運(yùn)行狀態(tài)正常。結(jié)果表明本次設(shè)計的控制系統(tǒng)達(dá)到了運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

基于PLC 邏輯編程單片機(jī)以及PID 控制器的無極繩絞車液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)無極繩絞車的平穩(wěn)運(yùn)行。在對絞車控制手柄進(jìn)行操控后，PLC 單片機(jī)首先對絞車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后對各液壓閥進(jìn)行控制，同時進(jìn)行目標(biāo)速度分割，最后通過PID 控制器對絞車的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，完成絞車運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)整。本次采用AMEsim 仿真模擬平臺對設(shè)計的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，設(shè)計的液壓自動控制系統(tǒng)可以起到絞車運(yùn)轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)調(diào)節(jié)的作用。本次設(shè)計提高了無極繩絞車自動控制水平，有效解決了以往絞車速度控制不穩(wěn)定的問題。