礦用提升機制動系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)設計研究*

張 強

(晉能控股煤業(yè)集團機電設備中心，山西 大同 037000)

0 引 言

礦用提升機是煤礦開采的重要機械設備，隨著機械技術的發(fā)展和智慧礦山理念的提出，礦用提升機的復雜程度越來越高，可靠性和功能性也越來越強。提升機的液壓制動對提升機的運行至關重要，控制核心電液閥的數(shù)量和控制邏輯決定了液壓制動的有效性，對于液壓制動電控系統(tǒng)而言，不僅需要控制液壓制動系統(tǒng)中的電機和電液閥的動作來實現(xiàn)液壓站壓力變動，進而實現(xiàn)提升機制動，同時還要能夠實時采集液壓制動系統(tǒng)和整個提升機的狀態(tài)參數(shù)，用以判定液壓制動系統(tǒng)和提升機的實時狀態(tài)，判定故障時發(fā)出聲光報警，同時執(zhí)行故障程序。為了實現(xiàn)礦用提升機液壓制動系統(tǒng)的自動化，筆者設計一套礦用提升機制動系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設計主要從硬件配置和軟件設計兩方面開展，以期研究能夠起到指導作用。

1 礦用提升機液壓制動系統(tǒng)分析

液壓制動是一套復雜的完整系統(tǒng)，為了簡單明了，以制動器為例進行液壓制動工作原理分析說明。制動器是液壓系統(tǒng)執(zhí)行開閉的執(zhí)行原件，其動作直接受到制動系統(tǒng)控制[1]。制動器作用是通過制動力的產(chǎn)生，降低提升機速度，在提升機不工作時，閘住卷筒保持提升機安全。礦用提升機液壓制動系統(tǒng)中的制動器以盤形制動器居多，使用閘瓦產(chǎn)生制動力實現(xiàn)制動功能[2]。液壓制動系統(tǒng)盤形制動器的制動過程示意圖見圖1所示。

圖1 礦用液壓制動系統(tǒng)盤形制動器制動過程示意圖

制動系統(tǒng)執(zhí)行制動降速操作時，盤形制動器與液壓氣缸之間會形成一對反作用力，將液壓氣缸記為FN，同時制動過程中液壓氣缸會產(chǎn)生制動力，記為F2，蝶形彈簧產(chǎn)生F1作用力，整個系統(tǒng)受到的阻力記為FZ，制動過程力平衡式見式(1)：

F2=FN+F1+FZ

(1)

制動正壓力是制動的主動力，與液壓氣缸受到的力大小相等，方向相反，記為N，液壓氣缸產(chǎn)生的正壓力與氣缸結構有關，計算公式見式(2)：

N=F1+pA+FZ

(2)

式中：p為液壓油的壓力；A為液壓氣缸動力作用面積。通過式(2)可以看出，制動系統(tǒng)的制動力大小，與液壓氣缸液壓油壓力成正比關系。煤礦上常用恒力矩二進制動方式實現(xiàn)提升機制動[3]。

2 制動系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)設計方案

礦用提升機制動系統(tǒng)自動化控制電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)信息交流與控制作用[4]，通過不同元器件組合應用，保證制動系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)設計主要包含兩方面內容：電器元件選型與軟件設計。

(1) 控制系統(tǒng)電器元件

提升機制動系統(tǒng)電控系統(tǒng)主要電器元件包含：處理器PLC、采集提升機狀態(tài)的信號傳感器、控制制動裝置的恒減速制動控制卡、供電電源以及人機交互系統(tǒng)。通過信號傳感器對提升機制動系統(tǒng)實時狀態(tài)進行監(jiān)控；PLC處理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制命令的接收；恒減速制動控制卡接收處理器發(fā)送的信息，通過電路實現(xiàn)制動機械部件的動作，完成制動動作；人機交互系統(tǒng)是控制命令的輸入端，也是狀態(tài)顯示端。

PLC控制器作為系統(tǒng)處理中心，是整個控制系統(tǒng)的核心。本方案選取PM556型CPU，該CUP具有數(shù)字量和模擬量的雙重擴展性，通訊接口包含以太網(wǎng)接口和串行通信接口兩種，配合通訊模塊和擴展模塊，保證了處理效率和信息傳輸效率。通過不同擴展模塊，PLC可以實現(xiàn)不同的制動系統(tǒng)控制功能和信息處理功能。

信號傳感器根據(jù)制動系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)確定，種類主要包括：液壓裝置壓力傳感器、電機轉速監(jiān)測傳感器、制動系統(tǒng)溫度傳感器以及氣缸壓差傳感器等。傳感器精度和數(shù)量根據(jù)不同的需求有所不同。具體需要的信號傳感器種類見圖2。

圖2 信號傳感器種類

電源裝置包括為PLC供電的24V開關電源、交直流轉換電源以及高低壓配電柜等。

恒減速制動控制卡能夠在接收PLC控制器的制動信號后，通過內部電子元件電路控制，調節(jié)制動系統(tǒng)的制動比例溢流閥和比例方向閥，通過閥門動作完成制動。恒減速制動控制卡是由各種電子元件組成的電路結構元件，其組成結構見圖3。

圖3 恒減速制動控制卡結構組成圖

(2) 控制系統(tǒng)軟件

制動系統(tǒng)控制軟件主要包括PLC控制器控制程序和恒減速制動卡程序。PLC控制器故障診斷程序的實現(xiàn)需要依托信號傳感器，控制流程見圖4。

圖4 PLC故障診斷流程圖

恒減速制動卡程序氣動時，首先檢測系統(tǒng)是否有效，確認結果后控制一級安全制動部件動作，實現(xiàn)安全制動解除、駐閘，控制液壓氣缸加壓，同時實時監(jiān)控滾筒轉速，根據(jù)滾筒轉速的不同，調節(jié)比例閥，達到線性調整液壓壓力的作用，滾筒轉速為零時，系統(tǒng)完全泄壓，制動結束。

3 設計應用效果

按照設計方案，將提升機制動系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)應用在JTS-2 型礦用提升機實際控制操作中，通過對各模塊的搭建和調試以及信息采集模塊的選型，最終的自動化控制數(shù)據(jù)實時顯示在人機交互界面上，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集正確，故障顯示和報警功能正常，人機交互界面見圖5。

4 結 論

針對礦用提升機制動系統(tǒng)的自動化控制進行研究，重點分析了制動系統(tǒng)的工作原理和自動控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件程序流程，該系統(tǒng)的設計研究，對推進礦山智能化建設具有一定意義，研究主要形成以下結論。

(1) 提升機制動系統(tǒng)主要通過控制液壓制動系統(tǒng)中的電機和電液閥的動作來實現(xiàn)液壓站壓力變動，進而實現(xiàn)提升機制動。

圖5 制動系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)人機交互界面

(2) 研究了PLC控制器、恒減速制動控制卡以及各類信號傳感器在自動控制系統(tǒng)中的功能，對恒減速制動控制卡的結構組成進行分析。

(3) 設計了PLC故障診斷控制流程，實現(xiàn)了通過信號傳感器作為信息采集與輸入，通過處理器處理數(shù)據(jù)，并對比數(shù)據(jù)庫完成故障診斷的控制模式。

(4) 自動控制系統(tǒng)能夠通過上位機實現(xiàn)人機交互，控制人員可以實時監(jiān)控提升機制動系統(tǒng)狀態(tài)，并可通過上位機對控制系統(tǒng)進行控制操作。