單片機技術(shù)在礦山提升機電氣控制中的應用研究

程 慧

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 武威 733006）

礦山提升機在礦山開采過程中承擔礦物運輸與作業(yè)人員升降的重要生產(chǎn)設(shè)施，其工作情況對礦山開采工程的進行效率以及礦采作業(yè)安全有非常大的影響。傳統(tǒng)的礦山提升機電氣控制使用高壓變頻器，通過調(diào)整提升機的工作頻率，實現(xiàn)對其在不同工況下的電氣控制[1]。這種控制方法具有低成本、操作簡便的優(yōu)點，但是該方法單純依靠改變電機頻率會導致控制響應出現(xiàn)延時，導致控制輸出存在較大的偏差，造成較大的能源消耗。單片機技術(shù)具有高性價比、開發(fā)使用簡單，適用范圍廣的優(yōu)點，在不同的行業(yè)中得到了廣泛使用。基于以上分析內(nèi)容，本文將研究基于單片機技術(shù)的礦山提升機電氣控制方法，從而實現(xiàn)對單片機技術(shù)實際應用的研究。

1 基于單片機技術(shù)的礦山提升機電氣控制方法研究

在本文設(shè)計的電氣控制方法中，通過4個主要步驟，實現(xiàn)對礦山提升機的電氣控制，電氣控制的實現(xiàn)過程詳見下文。

1.1 單片機采集礦山提升機工況信號

在本文設(shè)計的礦山提升機電氣控制方法中，使用單片機作為核心，完成電氣控制過程中對礦山提升機的信號采集、運算、通信以及指令傳遞等功能。結(jié)合礦山提升機電氣控制的實際需求，本文選用MCU型C8051F310單片機作為礦山提升機工況信號采集處理的核心。該芯片具有高兼容性的CIP-51內(nèi)核、支持10位200ksps的ADC通道。其內(nèi)部的25MHz振蕩器可實現(xiàn)高精度編程。芯片內(nèi)的1280bits RAM能夠存儲緩存質(zhì)量，4×16位定時器組成看門狗陣列，能夠防止控制程序出現(xiàn)死循環(huán)，減少礦山提升機故障率[2]。

單片機通過通信串口與傳感器相連，由傳感器采集礦山提升機不同部件的工作信號。根據(jù)礦山提升機的工作原理，分別在閘瓦同制動盤的間隙安裝位移傳感器、在制動閘端面安裝HZ-8500非接觸式渦流傳感器、在提升機驅(qū)動機構(gòu)處安裝CYB-20壓力傳感器。傳感器根據(jù)單片機的工作頻率，將采集的信號經(jīng)由通信總線傳輸至單片機中，由單片機及周圍電路對傳感器采集信號進行處理、分析。

1.2 礦山提升機工況信號調(diào)理

根據(jù)單片機主控芯片C8051F310的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓為3.3V，需要對傳感器采集輸出的電流信號進行信號調(diào)理，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。

礦山提升機工況信號調(diào)理首先將電流信號通過低通濾波電路進行轉(zhuǎn)換和濾波處理。低通濾波回路由參考電阻和電容組成，根據(jù)具體的傳感器技術(shù)參數(shù)可以確定參考電阻值，計算公式如下：

上式中，Vref為單片機主控芯片的參考電壓；Imax為傳感器輸出的最大電流值。單片機周圍的AD轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式后，將信號輸出單片機的控制器中，由控制器對信號進行分析處理，給出對應的控制輸出。

1.3 實現(xiàn)礦山提升機電氣控制

鑒于礦山提升機的復雜工況，本文研究的電氣控制方法依據(jù)模糊控制理論實現(xiàn)對礦山提升機的運行控制。以經(jīng)典的模糊控制器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對其控制參數(shù)進行優(yōu)化。

首先將傳感器測量的精確量按照下式轉(zhuǎn)換為模糊量：

上式中，x為傳感器測量的精確量；區(qū)間[a,b]為傳感器測量值的精確變化區(qū)間。通過上式將精確值映射至[-6,6]區(qū)間上，將映射值離散化后，生成對應的模糊量。根據(jù)模糊控制原理，礦山提升機控制可以視為一階慣性環(huán)節(jié)，提升機及其執(zhí)行部件的傳遞函數(shù)如下所示[3]：

上式中，C(S)為模糊控制器的輸入量；R(S)為模糊控制器的輸出量；K為控制比例參數(shù)；T1、T2分別為模糊控制器的延時。為提高對礦山提升機的控制效果，在模糊控制器中加入積分控制以減少控制誤差。積分控制規(guī)律表達式如下：

上式中，p(s)為控制器的輸出變化量；e(s)為積分控制輸入量的輸入偏差；K1為積分比例系數(shù)。將積分控制直接與模糊控制器并聯(lián)作用，積分控制直接作用與模糊控制的輸出偏差，將偏差值乘以積分比例系數(shù)后，輸出形成總的控制。在對礦山提升機進行實際控制時，采用多模態(tài)分段控制，將控制器的輸出偏差作為閾值，若偏差小于閾值時，采用模糊控制進行控制，減少控制響應過程的超調(diào)量；若輸出偏差大于閾值，則采用模糊控制與積分控制并聯(lián)的方式進行控制，最大限度地減少控制誤差。至此，完成了對基于單片機技術(shù)的礦山提升機電氣控制方法的研究。

2 實例分析

礦井提升機對于保障礦山的正常開采工作順利進行十分重要，傳統(tǒng)的礦山提升機電氣控制方法存在控制響應較慢、控制輸出誤差較大的問題。為解決上述問題，上文研究了一種基于單片機的礦山提升機電氣控制方法。本節(jié)將通過實例測試的方式，驗證該電氣控制方法的可行性與可靠性。

2.1 實驗準備

選取某一中型礦山的兩臺礦山提升機作為實驗測試對象。實驗選用的兩臺礦山提升機為JTKB-1.0×0.8型齒輪傳動的變頻雙滾筒提升機，提升機的具體技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 礦山提升機技術(shù)參數(shù)

2.2 實驗內(nèi)容

實驗采用對比實驗的形式，為形成對比實驗，選用傳統(tǒng)的礦山提升機電氣控制方法作為對比組，上文研究的基于單片機的礦山提升機電氣控制方法作為實驗組。分別使用兩組礦山提升機電氣控制方法對實驗選用的礦山提升機進行控制，通過對比兩種控制方法的控制響應和控制輸出誤差，來綜合評價兩種電氣控制方法的性能優(yōu)劣。實驗過程中為避免實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，兩組礦山提升機在不同工況下的運載負荷均相同。在MATALB 2012軟件中，處理兩組電氣控制方法在不同工況下控制的實驗數(shù)據(jù)。分析MATLAB輸出的實驗數(shù)據(jù)，得出相對應的對比實驗結(jié)論。

2.3 實驗數(shù)據(jù)與分析

MATLAB軟件初步處理后得到的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后生成如下圖1所示的曲線。圖中橫坐標軸為實驗時間，縱坐標為提升機上升下降的速度控制響應輸出。分析圖中曲線之間的關(guān)系以及變化，得出實驗結(jié)論。

圖1 實驗結(jié)果對比圖

分析上圖1中的曲線可知，在礦山提升機的不同負載工況下，本文提出的電氣控制方法的控制輸出曲線時間響應明顯快于傳統(tǒng)的電氣控制方法。改變礦山提升機的負載工況，本文提出的電氣控制方法的控制輸出曲線與理想控制輸出曲線之間的偏差，遠遠小于傳統(tǒng)電氣控制方法的控制輸出曲線與理想控制輸出曲線之間的偏差。從數(shù)值上分析，本文提出的控制方法的最大控制偏差僅為0.056m/s，傳統(tǒng)控制方法的最小控制偏差為0.11m/s，說明本文提出的控制方法其控制精度更高，實際對礦山提升機的控制效果更佳，有效減少了控制資源的浪費，具有優(yōu)越性。

由此可見，應用單片機技術(shù)后的控制方法能夠在限定時間內(nèi)實現(xiàn)對礦山提升機電氣的高效控制，具有推廣價值。

3 結(jié)束語

礦山提升機作為礦井開采中的主要設(shè)備，對其進行有效地電氣控制是提升礦采工作效率、保證作業(yè)人員安全的重要途徑。本文針對傳統(tǒng)的電氣控制方法存在的問題，利用單片機技術(shù)的優(yōu)越性，提出了一種基于單片機的礦山提升機電氣控制方法，并通過對比實驗驗證了該方法的可行性。在后期的應用研究中，應擴大本文設(shè)計方法在不同類型礦山開采工程中的應用力度，為提高礦山提升機的綜合性能、擴大控制方法的應用范圍提供參考。本文不足在于沒有對設(shè)計的礦山提升機電氣控制方法在實際應用中的注意事項加以詳細說明，在后續(xù)的研究中可予以深入研究。