李玉寧
(山西晉神能源有限公司,山西 河曲 036500)
無極繩絞車是井下利用鋼絲繩雙向牽引的連續(xù)運輸設備。普通的無極繩絞車,大都采用手柄控制模式對運輸速度進行控制。手柄控制存在精度低、監(jiān)控手段匱乏、安全性低、驅動裝置所受沖擊力大等不足。為解決這一難題,設計了一種以PLC 邏輯編程單片機與PID 控制器為基礎的自動化絞車液壓驅動控制系統(tǒng),增強了無極繩絞車的安全性,降低了絞車的操控難度。
井下無極繩絞車操控時,操控工人手動對絞車變量泵(ZBS-H915)的轉子偏心度進行操控,從而調節(jié)變量泵體的流量值,控制絞車運行狀態(tài)下的速度變化。液壓絞車控制系統(tǒng)見圖1??刂葡到y(tǒng)設計屬于無反饋系統(tǒng)設計,所以絞車操控工人要不斷地手動操作使絞車運行速度處于正常狀態(tài)。由于沒有反饋和顯示系統(tǒng),所以絞車運行時的速度、平穩(wěn)度和準確性無法進行精細化調節(jié),僅依賴于操控者的經(jīng)驗,存在不足。
圖1 JKY 絞車控制系統(tǒng)示意圖
絞車工作狀態(tài)共有三種:絞車下放、上提和停止制動。在控制系統(tǒng)中,單片機可以通過控制手柄所處的狀態(tài)以及其輸入信號的大小來判斷絞車的運行狀況,同時做出與控制手柄同步的響應,圖2 是絞車具體的響應流程圖。
控制手柄處于上推狀態(tài)時,無極繩絞車可對相關設備和材料進行提升。上推程度越高,絞車提升速度越快。這時控制系統(tǒng)中的三位四通電磁閥的運行狀態(tài)位于左側,而兩位四通電磁閥的運行狀態(tài)位于右側,且兩位兩通電磁閥此時處于工作狀態(tài),以控制絞車制動器松閘。絞車上提時,驅動電機帶動鋼絲繩正轉,帶動設備、材料提升??刂葡到y(tǒng)中的PID 控制設備和PLC 邏輯編程單片機通過監(jiān)測手柄上推程度,與預置程序進行比較,輸出既定信號控制電機轉速,通過絞車卷筒的傳動進行速度控制。
圖2 絞車響應流程圖
當控制手柄處于下推狀態(tài),可控制絞車向下運動。則上述三位四通電磁閥、兩位四通電磁閥和兩位兩通電磁閥所處的位置與絞車提升時相反,即電磁閥分別位于右側、左側和關閉狀態(tài)。經(jīng)過1.5s 的預置時間后,兩位兩通電磁閥打開,絞車液壓制動器松閘,制動停止,驅動電機開始反轉,向下運動。此時控制系統(tǒng)中的PID 控制器和PLC 邏輯編程單片機通過監(jiān)測手柄下推程度,與預置程序進行比較,輸出既定信號控制電機轉速,通過絞車卷筒的傳動進行速度控制。
當控制手柄處于未動作狀態(tài)時,無極繩絞車停止運動。此時控制設備和單片機監(jiān)測到手柄位置后按照預置程序,將絞車卷筒轉速降至0,同時控制液壓系統(tǒng)制動裝置,使其制動。當絞車遇到緊急情況需要制動時,可手動拉起制動桿,使絞車卷筒停轉,以達到緊急制動目的。
2.2.1 轉速區(qū)間控制分割
絞車手柄受到操控時,控制系統(tǒng)發(fā)出信號,通過模數(shù)轉換后數(shù)據(jù)被PLC 邏輯編程單片機讀取,并對比傳感器所監(jiān)測的驅動電機轉速,取差值△w。此時,控制手柄指示方向和電機的旋轉方向相同,則此時的△w絕對值除以20 r/min,得到目標轉速。先將目標轉速取整,記為i,然后將目標轉速分為(i+1)個區(qū)間轉速,將前i 個區(qū)間目標轉速的控制時長定為1s。如果△w值是正數(shù),則在前i個區(qū)間電機轉速均增加20 r/min,并保持至第i區(qū)間結束。在第i 區(qū)間結束后,此時目標轉速將和控制手柄控制的轉速一致;如果△w為負時,在前i個區(qū)間,將每個區(qū)間的驅動電機轉速減少20 r/min,并保持至第i區(qū)間結束,結束后,此時目標轉速將和控制手柄所調整的轉速一致。
當控制手柄指示的方向和此時電機的旋轉方向相反時,對目標轉速的實現(xiàn)將分為兩個階段:第一個階段需要將目標轉速調整為0,然后對當前驅動電機的旋轉速度取差,求取△w值,然后將目標轉速區(qū)間分割;第二個階段將目標轉速調整為控制手柄指示的速度,然后與0 轉速取差求△w值,再將目標轉速區(qū)間分割。
2.2.2 PID 速度控制
控制系統(tǒng)中的PLC 邏輯編程單片機對控制手柄指示的目標轉速度區(qū)間分割后,每一個速度區(qū)間內,單片機將目標轉速分割值轉化為目標轉速,并與驅動電機角速度傳感器監(jiān)測的電機旋轉速度進行對比,計算旋轉速度和當前區(qū)間目標轉速之差。差值經(jīng)過數(shù)模轉換后,模擬信號傳輸至PID 控制器中,將電機轉速調整至目標轉速。通過(i+1)個區(qū)間的調速后,電機轉速就調整為控制手柄的指示速度,完成了對無極繩絞車運行速度的精確控制。
本次采用AMEsim 軟件對設計的控制系統(tǒng)進行仿真模擬測試,使用AMEsim 軟件對液壓系統(tǒng)進行模擬控制。模擬時設置PID 參數(shù),設定K1為60,Kp為1400,KD 為1100,設置絞車驅動電機的最大拉力值為500kg,模擬轉速設置為0 r/min~ -40 r/min和-50 r/min~0 r/min 等,觀測在此情況下絞車驅動電機的響應反饋和轉速控制情況。模擬時間開始設為0 s ,數(shù)據(jù)采集間隔設置為0.01s,模擬總時間分別為6 s、24 s。
當控制手柄指示目標轉速設置為-40 r/min 時,絞車驅動電機的轉速從0 r/min 至-40 r/min 的響應曲線見圖3。當控制手柄指示目標轉速設置為0 r/min時,絞車驅動電機轉速從-50 r/min 降至0 r/min 的響應曲線見圖4。
由圖3 可以看出,在驅動電機轉速由0 r/min至-40 r/min 的過程中,制動閘啟動時間延遲了1.5 s。在速度下降的整個過程中,旋轉速度未發(fā)現(xiàn)有較大波動。速度調整總共耗時3.6 s,絞車驅動電機的最終旋轉速率保持于-39.60 r/min,比目標值-40 r/min減小了0.40 r/min,在允許誤差1 r/min 范圍內。
圖3 -40~0 r/min 旋轉速度響應曲線
圖4 -50~0 r/min 旋轉速度響應曲線
由圖4 中知,在絞車驅動電機轉速由-50 r/min變?yōu)? r/min 的過程中,PLC 邏輯編程單片機將指示的目標轉速調整分為了3 個階段,即轉速從-50 r/min至-30 r/min、從-30r/min 至-10 r/min 和轉速從-10 r/min 至0 r/min 三部分。PID 控制器調整轉速-50 r/min至-30 r/min 階段總耗時1s,-30 r/min 至-10 r/min 階段總耗時1 s,-10 r/min 至0 r/min 階段總耗時4 s。在整個絞車驅動電機轉速調整的過程中,未發(fā)現(xiàn)絞車運行速度出現(xiàn)大幅變化,運行狀態(tài)正常。結果表明本次設計的控制系統(tǒng)達到了運行要求。
基于PLC 邏輯編程單片機以及PID 控制器的無極繩絞車液壓驅動控制系統(tǒng)的設計,可以實現(xiàn)無極繩絞車的平穩(wěn)運行。在對絞車控制手柄進行操控后,PLC 單片機首先對絞車運行狀態(tài)進行判斷,然后對各液壓閥進行控制,同時進行目標速度分割,最后通過PID 控制器對絞車的驅動電機轉速進行控制,完成絞車運轉速度調整。本次采用AMEsim 仿真模擬平臺對設計的液壓控制系統(tǒng)進行了測試,結果表明,設計的液壓自動控制系統(tǒng)可以起到絞車運轉速度平穩(wěn)調節(jié)的作用。本次設計提高了無極繩絞車自動控制水平,有效解決了以往絞車速度控制不穩(wěn)定的問題。