煤礦立井提升機(jī)恒減速制動控制系統(tǒng)的設(shè)計

張俊凱

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著國家對煤礦資源的大力開采，煤礦立井提升機(jī)被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中，而煤礦設(shè)備的作業(yè)效率及安全成為政府及企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性及特殊性，在提升機(jī)制動減速過程中，需能實現(xiàn)緊急情況下穩(wěn)定減速的自動化控制[1]。目前，提升機(jī)在緊急制動過程中主要采用恒力矩方式進(jìn)行制動控制，存在控制精度較低，響應(yīng)時間較長等問題，且制動效果會受作業(yè)時間、外部粉塵等影響，對提升機(jī)的運(yùn)行效率及安全性構(gòu)成了一定影響。因此，設(shè)計一套性能更加穩(wěn)定的提升機(jī)制動控制系統(tǒng)[2]。

1 現(xiàn)有制動控制系統(tǒng)存在的問題

1）大多控制系統(tǒng)采用了成熟的PID 循環(huán)算法進(jìn)行控制，但由于提升機(jī)的制動過程相對復(fù)雜，受多種工況及因素影響，采用該控制算法，則較難實現(xiàn)對制動過程的精確計算，制動響應(yīng)及控制穩(wěn)定性相對較弱[3]。

2）現(xiàn)有的提升機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程經(jīng)常出現(xiàn)線路短路、運(yùn)行異常制動、制動減速過程較短等問題，分析其原因為由于井下環(huán)境的相對惡劣，加上提升機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷、猛烈振動等工況，控制系統(tǒng)長期在此工況下工作，出現(xiàn)了線路松動，信號紊亂等問題。

3）由于提升機(jī)控制系統(tǒng)存在管理不合理問題，導(dǎo)致在其運(yùn)行時，經(jīng)常有人誤操作，加上大部分控制系統(tǒng)均未安裝顯示界面，無法直觀地通過顯示器對控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，整體操作性及后期維護(hù)保養(yǎng)性相對較弱[4]。

為此，以現(xiàn)有的提升機(jī)控制系統(tǒng)為設(shè)計基礎(chǔ)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級研究，以提高其控制精度及自動化程度。

2 恒減速制動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

提升機(jī)制動系統(tǒng)作為提升機(jī)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，可實現(xiàn)提升機(jī)從開始減速到最終停止的有效制動，制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括了制動器、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。目前，在市場上常見的制動方式包括恒力矩制動和恒減速制動，其中，恒力矩制動主要是在提升機(jī)開始減速瞬間，提前對制動器施加一定作用力，利用制動盤與制動器之間的相互摩擦，使得提升機(jī)逐漸減速至零，此過程的自動化控制水平相對較低，且由于制動器的磨損、制動間隙中有油脂或灰塵等雜物，影響速度的降低，即到最低點(diǎn)時的提升機(jī)速度未減速為零，這將嚴(yán)重影響整個制動過程。另外一種制動方式為恒減速制動[5]。此方法主要是利用一套PLC 控制系統(tǒng)，通過采集提升機(jī)的實際減速度，并與設(shè)置的理論減速度進(jìn)行偏差對比，采用一套專門的控制算法來控制電液比例閥，實現(xiàn)對制動器油壓的調(diào)節(jié)，保證提升機(jī)安裝設(shè)置的恒定減速度進(jìn)行減速制動，保證整個減速制動的穩(wěn)定、可靠及安全。當(dāng)提升機(jī)速度降為零時，制動系統(tǒng)的恒減速將被解除并恢復(fù)為零；同時，在該恒減速制動系統(tǒng)中，可增加自動啟停、故障診斷、異常報警等功能，實現(xiàn)整個提升機(jī)制動過程的自動化、智能化控制。恒減速制動的工作原理圖如下頁圖1 所示。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 總體方案設(shè)計

圖1 恒減速制動工作原理圖

該提升機(jī)恒減速制動控制系統(tǒng)主要由終端的傳感器裝置、控制器及控制電路板、人機(jī)顯示界面等組成，可實現(xiàn)對提升機(jī)減速過程的制動作用。其中，前端的傳感器裝置包括了油壓傳感器、蜂鳴器、光電編碼器等，可實現(xiàn)對提升機(jī)中運(yùn)行速度和運(yùn)行位置、油壓大小、故障報警等信息檢測，而油壓的調(diào)節(jié)則會根據(jù)比例溢流閥發(fā)出的電信號大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。電磁換向閥設(shè)計了3 個，可完成系統(tǒng)補(bǔ)油與換油切換、恒減速與恒力矩切換、系統(tǒng)殘壓卸載等操作，處理器則采用了STM32 系列的CPU 微處理器，工作電流在0～40 mA 范圍，工作電壓在 3～25 V 范圍，具有RS485 通訊接口和A/D 數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換器，能較快地實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的信號處理、判斷及命令發(fā)出等動作響應(yīng)[6]?？刂齐娐钒灏擞蛪鹤x取信號模塊、故障判斷及報警模塊、安全回路識別及判斷模塊等。另外，人機(jī)界面包括了控制過程的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)變化曲線顯示等功能，可通過RS485 接口，與電路板進(jìn)行通訊連接，并能將提升機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及故障報警信息在顯示界面匯總進(jìn)行實時顯示。整個控制系統(tǒng)的總體方案框架圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案框架圖

3.2 硬件分系統(tǒng)的設(shè)計

3.2.1 PCB 控制電路板設(shè)計

為實現(xiàn)控制系統(tǒng)中硬件分系統(tǒng)的設(shè)計，首先采用了MPLAB IDE 軟件，對整個電路中的控制程序進(jìn)行編寫并通過該軟件將程序下載到PCB 控制電路板中。而整個PCB 板采用了四層板進(jìn)行設(shè)計，各層之間通過介質(zhì)層進(jìn)行絕緣設(shè)計，而各層之間的電氣連接則主要通過導(dǎo)通孔進(jìn)行導(dǎo)通，主要負(fù)責(zé)將各類控制模塊按照特定的規(guī)程進(jìn)行電路連接，并將各類數(shù)字信號、模擬量信號等通過模塊封裝方式，將其集成安裝在PCB 板上。同時，由于井下環(huán)境相對惡劣，提升機(jī)運(yùn)動過程中極容易受到外部信號的干擾，故所設(shè)計的PCB 板需具有較強(qiáng)的電磁兼容性，實現(xiàn)PCB 板中自身元器件不被外界干擾，保證正常工作狀態(tài)。整個控制系統(tǒng)中的PCB 控制電路板如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)PCB 控制電路板

3.2.2 加速度檢測儀器的選型和設(shè)計

為實現(xiàn)對提升機(jī)減速制動過程的有效控制，針對提升機(jī)制動時的加速度檢測儀采用了光學(xué)模式的FBL 系光電編碼器。該編碼器主要由二極管、碼盤等組成，設(shè)置有RS485/RS232 等通訊接口，具有8～18位的分辨率，抗干擾性相對較強(qiáng)，主要將其安裝在提升機(jī)滾筒主軸端的外壁上，其安裝位置如圖4 所示。隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)，編碼器也隨著轉(zhuǎn)動，在碼盤上投影出透光區(qū)域，遮擋與被遮擋光線的交替顯示，形成方形脈沖，再將此些信號換算成位移、速度等信號，所檢測的速度信號再與設(shè)置的速度差值進(jìn)行差值計算，以此來實時調(diào)節(jié)提升機(jī)實際減速度，實現(xiàn)提升機(jī)的恒減速制動控制目的。

3.3 采集驅(qū)動程序設(shè)計

采集驅(qū)動程序主要負(fù)責(zé)提升機(jī)減速制動過程檢測的速度模擬信號轉(zhuǎn)換為具有保密及可識別的數(shù)字信號，以實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的全程控制。在該控制系統(tǒng)中，A/D 驅(qū)動轉(zhuǎn)換模塊安裝在溢流閥的出口位置，能將油感傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以供處理器進(jìn)行信號運(yùn)算、判斷及處理。在所設(shè)計的模塊中，包含了 API 接口、SPI3 總線驅(qū)動程序、STM 固件庫、內(nèi)存變量等部分，其中，API 接口主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集及獲取、數(shù)據(jù)初始化及寄存器等方面進(jìn)行更新和設(shè)置，而AD 采集內(nèi)存映射則主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的緩存及傳輸。整個采集驅(qū)動程序的流程框架圖如5 圖所示。

圖4 編碼器實際安裝位置

圖5 采集驅(qū)動流程框架圖

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用測試

為進(jìn)一步驗證所設(shè)計的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，在室內(nèi)環(huán)境中搭建了一套試驗測試系統(tǒng)，主要包括PCB 電路控制板、液壓站、液壓轉(zhuǎn)換器、油壓傳感器、光電編碼器等，其測試現(xiàn)場如圖6 所示。主要對整套系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行了測試分析。在測試過程中，該控制系統(tǒng)的信號響應(yīng)迅速，系統(tǒng)運(yùn)行未出現(xiàn)問題，提升機(jī)制動減速過程運(yùn)行平穩(wěn)，速度基本維持在一個恒定范圍內(nèi)，滿足了提升機(jī)的設(shè)計及運(yùn)行要求。同時，在測試過程中，該控制系統(tǒng)對速度過快及過慢進(jìn)行了異常報警提示，通過顯示界面進(jìn)行了實時顯示。該系統(tǒng)測試成功，得到了礦井相關(guān)專業(yè)人士的一致認(rèn)可和好評，達(dá)到了提升機(jī)的現(xiàn)場使用要求，建議在提升機(jī)制動減速過程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。該控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，將使提升機(jī)的制動故障率降低40%以上，作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度大大降低，相關(guān)維修及保養(yǎng)費(fèi)用節(jié)約將近50 萬元/年以上，所帶來的價值重大。

圖6 提升機(jī)制動控制系統(tǒng)的試驗測試圖

5 結(jié)論

不斷提高提升機(jī)的作業(yè)效率及安全性，將當(dāng)前成熟的自動化控制技術(shù)應(yīng)用到提升機(jī)中，已成為當(dāng)前實現(xiàn)提升機(jī)自動化、智能化的重要方向。而在此過程中，提升機(jī)自動化控制的可靠性及穩(wěn)定性是整個控制系統(tǒng)設(shè)計研究中重點(diǎn)考慮的問題。本文研究的煤礦立井提升機(jī)恒減速制動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了整個制動過程的平穩(wěn)減速，運(yùn)行較為穩(wěn)定，也降低了提升機(jī)制動過程的故障發(fā)生率及費(fèi)用支出，具有重大推廣及應(yīng)用價值。