李世東

（山西省壽陽縣解愁鄉(xiāng)榮家溝麥捷煤業(yè)有限公司 ，山西 壽陽 045400）

0 引 言

隨著國家技術(shù)水平的不斷提升，礦用提升機作為煤礦開采中的重要設(shè)備，憑借其高工作效率、操作方便等優(yōu)勢，在煤礦中得到了廣泛應(yīng)用，而提升機制動控制系統(tǒng)的性能好壞，直接影響著提升機的工作效率及運行安全性。目前，大多煤礦中的提升機主要采用PLC進行控制，雖能準(zhǔn)確可靠的對提升機制動過程進行有效控制，但針對提升機運行復(fù)雜、超負(fù)荷作業(yè)等工作狀態(tài)，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)已無法較好的滿足。開展高性能、高可靠性、功能更加齊全的提升機制動控制系統(tǒng)，已成為當(dāng)下煤礦領(lǐng)域重點發(fā)展的方向。

因此，通過對現(xiàn)有提升機制動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行分析，找到了其存在的主要問題，以此為基礎(chǔ)，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)方面，建立了一套響應(yīng)速度快、運行穩(wěn)定的礦用提升機制動控制系統(tǒng)；并通過試驗測試的方法，對該系統(tǒng)進行了試驗測試，驗證了該系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可行性。該研究對提高礦用提升機的制動控制效率和制動安全性具有重要意義。

1 提升機制動控制系統(tǒng)存在問題

結(jié)合工程實際，提升機提升速度過小會較難制止事故的發(fā)生，而提升速度過大則會對設(shè)備的運載能力及人員安全造成較大影響。因此，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，提升機上升速度應(yīng)小于等于5m/s2，下降速度應(yīng)大于等于1.5m/s2。針對此工作要求，國內(nèi)外諸多學(xué)者通過研究，設(shè)計了一套減速制動系統(tǒng)，主要通過檢測提升過程中運行速度，換算成對應(yīng)的加速度值，根據(jù)一定的控制算法對制動油壓進行調(diào)整控制，以實現(xiàn)對提升機升降速度的控制。同時，在提升機減速過程中，設(shè)置了一定的緩沖區(qū)域，有效改善了提升機對運載設(shè)備及人員的沖擊影響。

但針對現(xiàn)有市場上的提升機制動控制系統(tǒng)，存在如下問題：

1）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)基本采用了PLC進行控制，能實現(xiàn)提升機運動過程中的數(shù)據(jù)采集、運動狀態(tài)監(jiān)控及制動控制等命令，但普遍存在控制精度較低、響應(yīng)速度慢等問題，針對復(fù)雜工況，無法及時的進行控制響應(yīng)；

2）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中大多采用PID算法，但其計算精度及響應(yīng)速度無法滿足復(fù)雜工況的使用需求，雖部分學(xué)者對控制算法進行了優(yōu)化改進，但其運行穩(wěn)定性仍相對較差，減速制動控制精度較低；

3）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)檢測設(shè)備精度不夠、硬件系統(tǒng)運行故障、軟件系統(tǒng)無法正常運行等現(xiàn)象，整體存在運行故障率相對較高、維修周期相對較長等問題，導(dǎo)致了提升機經(jīng)常因控制系統(tǒng)的故障問題而無法正常工作，嚴(yán)重影響著煤礦的生產(chǎn)效率。

因此，加強對提升機制動控制系統(tǒng)的性能提升，對提高煤礦的生產(chǎn)效率及企業(yè)的經(jīng)濟效益至關(guān)重要。

2 提升機新型制動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

硬件系統(tǒng)是減速制動控制系統(tǒng)的重要系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)主要由CPU、核心主板、外圍電路基板、各類傳感器、保護電路、外圍電路基板、功能電路、各類接口等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中，CPU是硬件系統(tǒng)的核心，前端傳感器檢測的相關(guān)信號，經(jīng)通訊線進行數(shù)據(jù)傳輸后，進入CPU中，由CPU對整個信號進行分析、判斷、處理，并向執(zhí)行機構(gòu)及顯示設(shè)備及時發(fā)出相應(yīng)的控制顯示信息，以此來實現(xiàn)提升機的制動控制功能。因此，在CPU設(shè)計中，主要采用了STM32系列的微處理，其主核可達70MHz，額定工作電流為36mA，并設(shè)置了多種類型的通訊接口，具有能耗低、接口豐富、計算控制響應(yīng)速度快等特點。同時，在保護電路設(shè)計中，利用工業(yè)級的隔離技術(shù)，分別采取過保護和反保護相結(jié)合的保護措施進行聯(lián)合保護，并在保護線路中設(shè)計了1A的可自動恢復(fù)的過流保險絲設(shè)計，當(dāng)電路出現(xiàn)過流或短路故障時，保險絲會自動斷開，以此來保護電路，當(dāng)過流故障得到有效排除后，保險絲則會自動恢復(fù)閉合。另外，在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，針對提升機的運行速度控制，主要采用了速度編碼器進行控制，首先將其安裝在被測對象的旋轉(zhuǎn)軸上，通過采集提升機的運行速度，并將其轉(zhuǎn)換減速度偏差值，再將信號發(fā)送至CPU進行計算，以此來實現(xiàn)對提升機的閉環(huán)制動控制；針對提升機制動過程中液壓系統(tǒng)，采用了MB330型油壓傳感器，通過檢測提升機液壓系統(tǒng)中的壓力值，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，并傳輸至CPU中，以此實現(xiàn)對提升機升降中液壓系統(tǒng)的控制。

圖1 提升機制動控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 統(tǒng)軟件總體設(shè)計

2.2.1 軟件系統(tǒng)總體方案設(shè)計

軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中的神經(jīng)，其在實際使用過程中，需具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換、控制命令發(fā)出、故障報警提示、數(shù)據(jù)通訊、人機界面顯示等功能，其功能簡圖如圖2所示。因此，對軟件系統(tǒng)進行了總體方案設(shè)計。該方案中，軟件系統(tǒng)主要包括信號采集功能、溢流閥控制功能、故障診斷檢測功能、人機交互顯示功能、減速控制算法功能等，而在各個功能下端，又分別設(shè)計了多種方式來實現(xiàn)相關(guān)功能。在該系統(tǒng)中，采用了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，可兼容不同功能類型的模塊，即用戶根據(jù)自己的需要，可快速在該操作系統(tǒng)中添加、修改或減小相關(guān)功能，并通過該操作系統(tǒng)，對多種功能進行并行處理，提高了控制系統(tǒng)的處理速度和運行可靠性。

圖2 軟件系統(tǒng)總體方案框架圖

2.2.2 主界面設(shè)計

圖3 控制系統(tǒng)主界面

同時，對控制系統(tǒng)的主界面進行了設(shè)計，其顯示界面如圖3所示。該界面中可對提升機的速度進行實時曲線顯示，并將實際速度與設(shè)置的理論速度進行對比顯示；同時，可將提升機運行過程中各階段的制動信號、開車信號、停車信號、故障信號等在該界面中進行顯示；另外，也設(shè)計了故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查看功能，可針對提升機運行過程中產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)及所有運行數(shù)據(jù)進行實時查看，為后期全面掌握提升機全過程的運行情況提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 制動控制系統(tǒng)試驗驗證

3.1 測試平臺搭建

結(jié)合前文對提升機制動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，在將其應(yīng)用到煤礦中提升機前，需對其運行功能及可靠性能進行進一步測試驗證。因此，借助于某公司之間的項目合作平臺，通過搭建試驗測試平臺的方法，對該系統(tǒng)進行了試驗測試研究。該試驗平臺主要包括提升機測試平臺、編碼器、各類傳感器及控制電路等，其測試平臺現(xiàn)場圖如圖4所示。

圖4 制動控制系統(tǒng)測試平臺

3.2 測試結(jié)果分析

根據(jù)搭建了試驗平臺，對提升機制動控制系統(tǒng)進行了為期48h的連續(xù)試驗測試，測試結(jié)果表明：在整個測試過程中，該系統(tǒng)各項功能運行正常，速度響應(yīng)較快，能將各類傳感器檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確計算處理，并及時向液壓制動機構(gòu)和人機顯示界面發(fā)出相應(yīng)的控制和顯示信號，且液壓制動機構(gòu)接到相關(guān)控制命令后，能準(zhǔn)確的對提升機的升降速度進行準(zhǔn)確控制和平穩(wěn)過渡，在顯示界面上，能繪制出提升機的整個過程的數(shù)據(jù)曲線；同時，對電路進行了故障模式設(shè)置，該控制系統(tǒng)針對提升機運行過程中的故障問題，能在顯示界面上進行實時顯示，并繪制成相關(guān)曲線，而電路中的保護電路能針對故障問題執(zhí)行延時或及時斷路操作。整個測試過程中，操作人員只需對該系統(tǒng)進行簡單操作，即可掌握提升機的整個運動過程。由此，驗證了該提升機制動控制系統(tǒng)具有較高的運行穩(wěn)定性和可靠性，能滿足《煤礦安全規(guī)程》中對提升機控制系統(tǒng)的性能要求，可進一步在礦用提升機中進行了推廣應(yīng)用。

4 總 結(jié)

1）通過對煤礦提升機制動控制系統(tǒng)現(xiàn)有情況的分析，找到了其使用中存在的主要問題，為后期開展制動控制系統(tǒng)設(shè)計研究提供了改進參考；

2）以現(xiàn)有制動控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)方面，對制動控制系統(tǒng)進行了設(shè)計研究，建立了一套響應(yīng)速度快、運行穩(wěn)定的礦用提升機制動控制系統(tǒng)；

3）通過搭建測試平臺，對所建立的制動控制系統(tǒng)進行了試驗測試，測試結(jié)果表明：所建立的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確的對提升機運行速度進行控制，針對提升機運行中出現(xiàn)的故障問題，能發(fā)出響應(yīng)的故障報警提示，驗證了該系統(tǒng)的可行性；

4）該研究對提高提升機的制動控制效果和運行安全性具有重要作用，可為后期開展制動控制系統(tǒng)的改進研究提供指導(dǎo)。