煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

崔爭(zhēng)氣

(內(nèi)蒙古鄂爾多斯永煤礦業(yè)投資有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)作為煤礦提升機(jī)重要的保障，其液壓制動(dòng)系統(tǒng)故障可能引起墜罐、滑動(dòng)、過(guò)卷等運(yùn)輸事故，影響了煤礦安全開(kāi)采。煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)主要分為緊急制動(dòng)和工作制動(dòng)，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，提升機(jī)啟動(dòng)緊急制動(dòng)方式，對(duì)提升機(jī)實(shí)施二級(jí)制動(dòng)，進(jìn)行抱閘停車(chē)；當(dāng)工作制動(dòng)情況時(shí)，系統(tǒng)改變提升機(jī)滾筒的制動(dòng)力矩，使煤礦提升機(jī)進(jìn)行停車(chē)。目前，國(guó)內(nèi)高校對(duì)提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的研究有了很大的進(jìn)步，包括提升機(jī)綜合后備保護(hù)裝置、制動(dòng)盤(pán)斷面跳動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和閘瓦的溫度監(jiān)測(cè)等。但其中部分研究針對(duì)監(jiān)測(cè)量單一，不能夠做到通用和設(shè)備高集成度，也不能根據(jù)煤礦具體環(huán)境進(jìn)行有效改進(jìn)[1-4]。為此，本文研究了煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器，分析了控制器硬件組成和軟件部分，研究使煤礦提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)更智能化、穩(wěn)定、可靠和精確。

1 提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)

本文研究的提升機(jī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)的核心是盤(pán)式制動(dòng)閘和TE130型液壓站[5-6]。

(1)煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行裝置為盤(pán)式制動(dòng)閘，主要分為液壓型制動(dòng)閘和電磁型制動(dòng)閘，液壓型盤(pán)式制動(dòng)閘結(jié)構(gòu)主要由連接軸、蝶形彈簧、連接螺栓、活塞、油缸、閘瓦、制動(dòng)器體等組成。盤(pán)式制動(dòng)閘工作原理如圖1所示。

圖1 盤(pán)式制動(dòng)閘工作原理Fig.1 Working principle of disc brake

當(dāng)油缸無(wú)壓力油時(shí)，F(xiàn)1推動(dòng)閘瓦向左移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全制動(dòng)；當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力F2，當(dāng)F1>F2>0，F(xiàn)1對(duì)制動(dòng)盤(pán)作用力減小，實(shí)現(xiàn)部分制動(dòng)；當(dāng)F1

(2)煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置為液壓站，主要控制著盤(pán)式制動(dòng)閘的開(kāi)合。液壓站主要由截止閥、溫度計(jì)、壓力表、壓力表開(kāi)關(guān)、液動(dòng)換向閥、彈簧蓄力器、電磁換向閥、單向閥、液壓閥、溢流閥、電磁換向閥、電液調(diào)壓裝置、紙質(zhì)過(guò)濾器、液壓泵、電機(jī)、過(guò)濾器和油箱等組成。TE130型液壓站如圖2所示。

圖2 TE130型液壓站Fig.2 TE130 hydraulic station

2 控制器組成和結(jié)構(gòu)

煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器主要由485通信模塊、電流采樣模塊、功率放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、保護(hù)電路模塊、電源電路模塊和主控電片機(jī)模塊組成[7-10]。煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。①485通信模塊，為上位機(jī)和主控單片機(jī)提供通信接口；②電流采樣電路，主要是采樣電液比例溢流閥線圈電流；③功率方法模塊，將主控單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行放大；④A/D轉(zhuǎn)換模塊，主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換；⑤保護(hù)電路模塊，防止開(kāi)關(guān)器件因過(guò)電流而被擊穿，并為系統(tǒng)提供過(guò)流保護(hù)；⑥電源電路模塊，為系統(tǒng)的電能供應(yīng)模塊，為外圍電路和主控單片機(jī)提供電壓；⑦主控單片機(jī)模塊，是煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器的核心。

圖3 煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Controller structure of hydraulic braking system of mine shaft hoist

3 控制器硬件部分

控制器硬件部分主要包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、主控單片機(jī)模塊、分頻電路、過(guò)流保護(hù)電路、電流采樣電路、485通信模塊等[11-13]。

(1)A/D轉(zhuǎn)換模塊。將電液比例閥閉環(huán)控制的角加速度傳感器電流信號(hào)，監(jiān)測(cè)裝置電壓信號(hào)、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入到主控單片機(jī)中，系統(tǒng)選擇ADS7852Y型A/D轉(zhuǎn)換模塊，模塊具有12位數(shù)字信號(hào)輸出、8通道輸入。A/D轉(zhuǎn)換模塊工作原理如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換模塊工作原理Fig.4 Working principle of A/D conversion module

圖4中，AD0—AD11為12位數(shù)據(jù)輸出，與主控單片機(jī)I/O口連接；V1—V6為狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器信號(hào)輸入；V7為電液比例閥閉環(huán)控制器的角加速度傳感器信號(hào)輸入；V8為滾筒角速度傳感器信號(hào)。

(2)主控單片機(jī)模塊。主要有晶振電路、復(fù)位電路、單片機(jī)和若干接口的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。其中，晶振電路采用主頻為12MHz的晶振作為時(shí)鐘；復(fù)位電路采用IMP812LEUST-T電壓監(jiān)控芯片；單片機(jī)采用AT89S8253對(duì)單片機(jī)，能夠提供2 kB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和12 KB的Flash程序存儲(chǔ)器。

(3)分頻電路。A/D轉(zhuǎn)換需要128 μs的狀態(tài)值讀取時(shí)間控制信號(hào)和1 MHz的時(shí)鐘頻率，需要使用分頻電路。主要采用SN74HC393雙路四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。分頻電路原理如圖5所示。圖5中，CLK0為2 MHz的頻率信號(hào)；CLK1為監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)讀取時(shí)間頻率。

圖5 分頻電路原理Fig.5 Principle of frequency division circuit

(4)過(guò)流保護(hù)電路。比例閥線圈過(guò)流保護(hù)電路如圖6所示。

圖6 比例閥線圈過(guò)流保護(hù)電路Fig.6 Over current protection circuit of proportional valve coil

(5)電流采樣電路。主要對(duì)比例溢流閥線圈電流實(shí)時(shí)采樣，采樣電阻選擇0.22 Ω、0.5 W，來(lái)降低對(duì)電磁閥線圈電流的影響。通過(guò)HCNR201型高線性模擬光耦實(shí)時(shí)光電隔離，然后經(jīng)二階濾波電路和電壓放大進(jìn)行濾波，并將電壓信號(hào)輸送到A/D轉(zhuǎn)換芯片中。

(6)485通信模塊。主要是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)的通信，采用RSM485系列的低速隔離收發(fā)器，該設(shè)備主要包括總線保護(hù)器件、RS-485接口、電氣隔離、電源隔離等，最大波特率為936 Kb/s，采用5 V供電。

4 控制器軟件部分

控制器軟件部分主要有控制器主程序、傳感器信息采集模塊、A/D數(shù)據(jù)處理模塊、外部ROM存儲(chǔ)模塊、模糊控制子程序模塊、占空比調(diào)節(jié)模塊、串口通信子程序模塊。本文僅介紹控制器主程序和傳感器信息采集模塊、A/D數(shù)據(jù)處理模塊。

(1)控制器主程序。本文采用C語(yǔ)言進(jìn)行下位機(jī)軟件的編寫(xiě)，煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器主程序如圖7所示。

圖7 煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器主程序Fig.7 Main program of hydraulic brake system controller for mine shaft hoist

(2)傳感器信息采集模塊、A/D數(shù)據(jù)處理模塊。傳感器信息采集模塊主要采集電機(jī)電流、液壓站油溫、油壓等模擬量，其流程如圖8(a)所示。A/D數(shù)據(jù)處理模塊主要通過(guò)多次采集求平均值的方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和校正。其流程如圖8(b)所示。

圖8 傳感器信息采集和A/D數(shù)據(jù)處理模塊Fig.8 Sensor information collection and A/D data processing module

5 結(jié)論

本文在分析提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)控制器，針對(duì)控制器各個(gè)模塊，對(duì)其電路進(jìn)行了研究，并對(duì)控制器主程序和傳感器信息采集模塊、A/D數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。研究實(shí)現(xiàn)了煤礦立井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的智能控制及傳感器的處理和采集功能。