張俊凱

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦資源的大力開(kāi)采，煤礦立井提升機(jī)被廣泛應(yīng)用到了煤礦開(kāi)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(dòng)減速過(guò)程中，需能實(shí)現(xiàn)緊急情況下穩(wěn)定減速的自動(dòng)化控制[1]。目前，提升機(jī)在緊急制動(dòng)過(guò)程中主要采用恒力矩方式進(jìn)行制動(dòng)控制，存在控制精度較低，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，且制動(dòng)效果會(huì)受作業(yè)時(shí)間、外部粉塵等影響，對(duì)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(jì)一套性能更加穩(wěn)定的提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)[2]。

1 現(xiàn)有制動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)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(dòng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，受多種工況及因素影響，采用該控制算法，則較難實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)過(guò)程的精確計(jì)算，制動(dòng)響應(yīng)及控制穩(wěn)定性相對(duì)較弱[3]。

2）現(xiàn)有的提升機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)線路短路、運(yùn)行異常制動(dòng)、制動(dòng)減速過(guò)程較短等問(wèn)題，分析其原因?yàn)橛捎诰颅h(huán)境的相對(duì)惡劣，加上提升機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷、猛烈振動(dòng)等工況，控制系統(tǒng)長(zhǎng)期在此工況下工作，出現(xiàn)了線路松動(dòng)，信號(hào)紊亂等問(wèn)題。

3）由于提升機(jī)控制系統(tǒng)存在管理不合理問(wèn)題，導(dǎo)致在其運(yùn)行時(shí)，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(wú)法直觀地通過(guò)顯示器對(duì)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(duì)較弱[4]。

為此，以現(xiàn)有的提升機(jī)控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)研究，以提高其控制精度及自動(dòng)化程度。

2 恒減速制動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)作為提升機(jī)中的關(guān)鍵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)從開(kāi)始減速到最終停止的有效制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括了制動(dòng)器、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。目前，在市場(chǎng)上常見(jiàn)的制動(dòng)方式包括恒力矩制動(dòng)和恒減速制動(dòng)，其中，恒力矩制動(dòng)主要是在提升機(jī)開(kāi)始減速瞬間，提前對(duì)制動(dòng)器施加一定作用力，利用制動(dòng)盤與制動(dòng)器之間的相互摩擦，使得提升機(jī)逐漸減速至零，此過(guò)程的自動(dòng)化控制水平相對(duì)較低，且由于制動(dòng)器的磨損、制動(dòng)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(shí)的提升機(jī)速度未減速為零，這將嚴(yán)重影響整個(gè)制動(dòng)過(guò)程。另外一種制動(dòng)方式為恒減速制動(dòng)[5]。此方法主要是利用一套PLC 控制系統(tǒng)，通過(guò)采集提升機(jī)的實(shí)際減速度，并與設(shè)置的理論減速度進(jìn)行偏差對(duì)比，采用一套專門的控制算法來(lái)控制電液比例閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)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(dòng)，保證整個(gè)減速制動(dòng)的穩(wěn)定、可靠及安全。當(dāng)提升機(jī)速度降為零時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)的恒減速將被解除并恢復(fù)為零；同時(shí)，在該恒減速制動(dòng)系統(tǒng)中，可增加自動(dòng)啟停、故障診斷、異常報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)提升機(jī)制動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化控制。恒減速制動(dòng)的工作原理圖如下頁(yè)圖1 所示。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1 恒減速制動(dòng)工作原理圖

該提升機(jī)恒減速制動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)減速過(guò)程的制動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)中運(yùn)行速度和運(yùn)行位置、油壓大小、故障報(bào)警等信息檢測(cè)，而油壓的調(diào)節(jié)則會(huì)根據(jù)比例溢流閥發(fā)出的電信號(hào)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。電磁換向閥設(shè)計(jì)了3 個(gè)，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(hào)轉(zhuǎn)換器，能較快地實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)處理、判斷及命令發(fā)出等動(dòng)作響應(yīng)[6]。控制電路板包含了油壓讀取信號(hào)模塊、故障判斷及報(bào)警模塊、安全回路識(shí)別及判斷模塊等。另外，人機(jī)界面包括了控制過(guò)程的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)變化曲線顯示等功能，可通過(guò)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(bào)警信息在顯示界面匯總進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)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(jì)

3.2.1 PCB 控制電路板設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中硬件分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先采用了MPLAB IDE 軟件，對(duì)整個(gè)電路中的控制程序進(jìn)行編寫并通過(guò)該軟件將程序下載到PCB 控制電路板中。而整個(gè)PCB 板采用了四層板進(jìn)行設(shè)計(jì)，各層之間通過(guò)介質(zhì)層進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)，而各層之間的電氣連接則主要通過(guò)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(hào)、模擬量信號(hào)等通過(guò)模塊封裝方式，將其集成安裝在PCB 板上。同時(shí)，由于井下環(huán)境相對(duì)惡劣，提升機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中極容易受到外部信號(hào)的干擾，故所設(shè)計(jì)的PCB 板需具有較強(qiáng)的電磁兼容性，實(shí)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(gè)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(cè)儀器的選型和設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)減速制動(dòng)過(guò)程的有效控制，針對(duì)提升機(jī)制動(dòng)時(shí)的加速度檢測(cè)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(duì)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(dòng)，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(hào)換算成位移、速度等信號(hào)，所檢測(cè)的速度信號(hào)再與設(shè)置的速度差值進(jìn)行差值計(jì)算，以此來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)提升機(jī)實(shí)際減速度，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒減速制動(dòng)控制目的。

3.3 采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

采集驅(qū)動(dòng)程序主要負(fù)責(zé)提升機(jī)減速制動(dòng)過(guò)程檢測(cè)的速度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有保密及可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的全程控制。在該控制系統(tǒng)中，A/D 驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以供處理器進(jìn)行信號(hào)運(yùn)算、判斷及處理。在所設(shè)計(jì)的模塊中，包含了 API 接口、SPI3 總線驅(qū)動(dòng)程序、STM 固件庫(kù)、內(nèi)存變量等部分，其中，API 接口主要負(fù)責(zé)對(duì)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(duì)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的緩存及傳輸。整個(gè)采集驅(qū)動(dòng)程序的流程框架圖如5 圖所示。

圖4 編碼器實(shí)際安裝位置

圖5 采集驅(qū)動(dòng)流程框架圖

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)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(yàn)測(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。主要對(duì)整套系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試分析。在測(cè)試過(guò)程中，該控制系統(tǒng)的信號(hào)響應(yīng)迅速，系統(tǒng)運(yùn)行未出現(xiàn)問(wèn)題，提升機(jī)制動(dòng)減速過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)，速度基本維持在一個(gè)恒定范圍內(nèi)，滿足了提升機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，該控制系統(tǒng)對(duì)速度過(guò)快及過(guò)慢進(jìn)行了異常報(bào)警提示，通過(guò)顯示界面進(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)測(cè)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(píng)，達(dá)到了提升機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用要求，建議在提升機(jī)制動(dòng)減速過(guò)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(dòng)故障率降低40%以上，作業(yè)人員的勞動(dòng)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(wàn)元/年以上，所帶來(lái)的價(jià)值重大。

圖6 提升機(jī)制動(dòng)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)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(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到提升機(jī)中，已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)提升機(jī)自動(dòng)化、智能化的重要方向。而在此過(guò)程中，提升機(jī)自動(dòng)化控制的可靠性及穩(wěn)定性是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。本文研究的煤礦立井提升機(jī)恒減速制動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)制動(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)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(jià)值。