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，煤礦立井提升機被廣泛應用到了煤礦開采中，而煤礦設備的作業(yè)效率及安全成為政府及企業(yè)關注的焦點。由于井下環(huán)境的復雜性及特殊性，在提升機制動減速過程中，需能實現緊急情況下穩(wěn)定減速的自動化控制[1]。目前，提升機在緊急制動過程中主要采用恒力矩方式進行制動控制，存在控制精度較低，響應時間較長等問題，且制動效果會受作業(yè)時間、外部粉塵等影響，對提升機的運行效率及安全性構成了一定影響。因此，設計一套性能更加穩(wěn)定的提升機制動控制系統(tǒng)[2]。

1 現有制動控制系統(tǒng)存在的問題

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

2）現有的提升機控制系統(tǒng)在運行過程經常出現線路短路、運行異常制動、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，加上提升機經常處于超負荷、猛烈振動等工況，控制系統(tǒng)長期在此工況下工作，出現了線路松動，信號紊亂等問題。

3）由于提升機控制系統(tǒng)存在管理不合理問題，導致在其運行時，經常有人誤操作，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)進行操作，整體操作性及后期維護保養(yǎng)性相對較弱[4]。

為此，以現有的提升機控制系統(tǒng)為設計基礎，對控制系統(tǒng)進行升級研究，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)的結構組成

提升機制動系統(tǒng)作為提升機中的關鍵系統(tǒng)，可實現提升機從開始減速到最終停止的有效制動，制動系統(tǒng)的關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，即到最低點時的提升機速度未減速為零，這將嚴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)，通過采集提升機的實際減速度，并與設置的理論減速度進行偏差對比，采用一套專門的控制算法來控制電液比例閥，實現對制動器油壓的調節(jié)，保證提升機安裝設置的恒定減速度進行減速制動，保證整個減速制動的穩(wěn)定、可靠及安全。當提升機速度降為零時，制動系統(tǒng)的恒減速將被解除并恢復為零；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，實現整個提升機制動過程的自動化、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)的設計

3.1 總體方案設計

圖1 恒減速制動工作原理圖

該提升機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、人機顯示界面等組成，可實現對提升機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，可實現對提升機中運行速度和運行位置、油壓大小、故障報警等信息檢測，而油壓的調節(jié)則會根據比例溢流閥發(fā)出的電信號大小進行調節(jié)。電磁換向閥設計了3 個，可完成系統(tǒng)補油與換油切換、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 數據信號轉換器，能較快地實現對檢測數據的信號處理、判斷及命令發(fā)出等動作響應[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，人機界面包括了控制過程的參數設置、數據變化曲線顯示等功能，可通過RS485 接口，與電路板進行通訊連接，并能將提升機的運行參數及故障報警信息在顯示界面匯總進行實時顯示。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)的設計

3.2.1 PCB 控制電路板設計

為實現控制系統(tǒng)中硬件分系統(tǒng)的設計，首先采用了MPLAB IDE 軟件，對整個電路中的控制程序進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 板采用了四層板進行設計，各層之間通過介質層進行絕緣設計，而各層之間的電氣連接則主要通過導通孔進行導通，主要負責將各類控制模塊按照特定的規(guī)程進行電路連接，并將各類數字信號、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，提升機運動過程中極容易受到外部信號的干擾，故所設計的PCB 板需具有較強的電磁兼容性，實現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計

為實現對提升機減速制動過程的有效控制，針對提升機制動時的加速度檢測儀采用了光學模式的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，主要將其安裝在提升機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，編碼器也隨著轉動，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置的速度差值進行差值計算，以此來實時調節(jié)提升機實際減速度，實現提升機的恒減速制動控制目的。

3.3 采集驅動程序設計

采集驅動程序主要負責提升機減速制動過程檢測的速度模擬信號轉換為具有保密及可識別的數字信號，以實現整個控制系統(tǒng)的全程控制。在該控制系統(tǒng)中，A/D 驅動轉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換為數字信號，以供處理器進行信號運算、判斷及處理。在所設計的模塊中，包含了 API 接口、SPI3 總線驅動程序、STM 固件庫、內存變量等部分，其中，API 接口主要負責對系統(tǒng)中數據采集及獲取、數據初始化及寄存器等方面進行更新和設置，而AD 采集內存映射則主要負責對系統(tǒng)中轉換數據的緩存及傳輸。整個采集驅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 采集驅動流程框架圖

4 控制系統(tǒng)的應用測試

為進一步驗證所設計的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，在室內環(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、液壓轉換器、油壓傳感器、光電編碼器等，其測試現場如圖6 所示。主要對整套系統(tǒng)的運行狀態(tài)及穩(wěn)定性進行了測試分析。在測試過程中，該控制系統(tǒng)的信號響應迅速，系統(tǒng)運行未出現問題，提升機制動減速過程運行平穩(wěn)，速度基本維持在一個恒定范圍內，滿足了提升機的設計及運行要求。同時，在測試過程中，該控制系統(tǒng)對速度過快及過慢進行了異常報警提示，通過顯示界面進行了實時顯示。該系統(tǒng)測試成功，得到了礦井相關專業(yè)人士的一致認可和好評，達到了提升機的現場使用要求，建議在提升機制動減速過程中進行推廣應用。該控制系統(tǒng)的成功應用，將使提升機的制動故障率降低40%以上，作業(yè)人員的勞動強度大大降低，相關維修及保養(yǎng)費用節(jié)約將近50 萬元/年以上，所帶來的價值重大。

圖6 提升機制動控制系統(tǒng)的試驗測試圖

5 結論

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