郭文強(qiáng)

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

提升機(jī)的運行情況直接決定煤礦的產(chǎn)量，其主要承擔(dān)煤礦設(shè)備和人員的運輸任務(wù)。提升機(jī)在實際運行過程中，常見的故障包括有過卷、松繩、滑繩以及墜罐等，主要原因為制動系統(tǒng)性能不佳所導(dǎo)致。針對提升機(jī)制動系統(tǒng)可分為工作制動和安全制動[1]。其中，基于恒力矩制動系統(tǒng)容易對提升機(jī)設(shè)備造成沖擊，從而導(dǎo)致可靠性降低；而對于恒減速制動系統(tǒng)不僅可顯著提升制動性能，而且其與恒力矩制動系統(tǒng)相比更加安全，可靠性更高。本文將設(shè)計了一款提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行仿真分析。

1 提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)的設(shè)計

提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)主要分為恒減速安全切換液控分系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。本節(jié)將分別完成上述兩個分系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1 提升機(jī)恒減速安全切換液控分系統(tǒng)的設(shè)計

提升機(jī)制動系統(tǒng)的制動性能包括響應(yīng)速度、響應(yīng)時間和制動力等均是通過液控分系統(tǒng)完成。因此，合理對提升機(jī)恒減速安全切換液控分系統(tǒng)的設(shè)計對于保證制動系統(tǒng)的性能具有重要意義。液控分系統(tǒng)為包含機(jī)械、電氣以及液壓為一體的控制系統(tǒng)，其包括電控柜、液壓站、制動器等組成[2]。液控分系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)提升機(jī)鋼絲繩滾筒出現(xiàn)超速或者失速的情況時，液控分系統(tǒng)對其中的電磁閥的方向、流量等參數(shù)進(jìn)行控制，并通過實時監(jiān)測滾筒的轉(zhuǎn)速對電磁閥相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)性控制，最終達(dá)到提升機(jī)滾筒速度降為零的目的。根據(jù)提升機(jī)的運行工況，制動包括有工作制動和安全制動。其中，工作制動主要實現(xiàn)對提升機(jī)開機(jī)和停車操作；安全制動為設(shè)備在緊急運行情況下采取的制動方式，本文將采用恒減速方式實現(xiàn)對提升機(jī)的安全制動功能[3]。

基于恒減速方式實現(xiàn)的安全制動對應(yīng)的液壓制動回路如圖1 所示。

圖1 恒減速制動液壓回路

如圖1 所示，恒減速制動液壓回路包括有兩級制動回路、普通工作的制動回路以及緊急情況下的恒減速制動回路。

1.2 恒減速制動電控分系統(tǒng)設(shè)計

恒減速制動電控分系統(tǒng)與液控分系統(tǒng)共同組成恒減速制動系統(tǒng)。電控分系統(tǒng)主要是對整個制動系統(tǒng)的控制大腦，重點對盤式制動器制動力的控制，并對制動系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。

1.3 電控分系統(tǒng)的硬件設(shè)計

恒減速制動電控分系統(tǒng)主要包括有主功能和輔助功能。其中，主功能實現(xiàn)提升機(jī)的工作制動和安全制動；輔助功能主要是對系統(tǒng)中各類元器件包括電磁閥的工作狀態(tài)、滾筒轉(zhuǎn)速、液壓油油壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、記錄并對故障信息進(jìn)行報警[4]。

目前，PLC 控制器為工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的控制器。針對提升機(jī)恒減速制動電控分系統(tǒng)也采用PLC為其核心控制器電；結(jié)合提升機(jī)的運行工況及其制動系統(tǒng)的使命任務(wù)，設(shè)計如圖2 所示的PLC 控制方案。

圖2 恒減速制動電控分系統(tǒng)PLC 控制方案

如圖2 所示，PLC 控制器對提升機(jī)制動系統(tǒng)配套的壓力繼電器、壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器采集的參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果得出對應(yīng)的控制指令對制動系統(tǒng)電機(jī)、電磁換向閥以及比例溢流閥、伺服閥的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，從而達(dá)到恒減速制動的目的。

2 提升機(jī)恒減速自適應(yīng)控制及仿真分析

實現(xiàn)對提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)的快速響應(yīng)、高精度的控制功能，除了為其配套高性能的元器件外，還需先進(jìn)的控制策略對元器件控制才能保證最終的控制效果。因此，在上述液控和電控分系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，本節(jié)重點對控制策略進(jìn)行設(shè)計，并對最終的控制效果進(jìn)行仿真分析。

2.1 提升機(jī)恒減速制動控制策略的設(shè)計

目前，針對類似于提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)的相對復(fù)雜的控制系統(tǒng)，一般采用PID 控制器對其進(jìn)行控制。但是，PID 控制器的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的系數(shù)為設(shè)定好的，并不能夠根據(jù)提升機(jī)的運行工況和不同的制動要求對系數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定[5]。為此，本文將RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID 控制器相結(jié)合實現(xiàn)對提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)的控制。

基于RBF 網(wǎng)絡(luò)對PID 控制器系數(shù)校正的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 基于RBF 網(wǎng)絡(luò)對PID 控制器系數(shù)整定

2.2 制動效果仿真分析

提升機(jī)恒減速制動控制系統(tǒng)屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電液控制系統(tǒng)，本小節(jié)將通過數(shù)值模擬手段對基于RBF 網(wǎng)絡(luò)的PID 控制器對恒減速制動控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行仿真分析。

2.2.1 仿真模型的建立

首先，根據(jù)提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)的液壓和電控分系統(tǒng)建立仿真模型，并將模型中的參數(shù)根據(jù)提升機(jī)的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。所建立的恒減速制動系統(tǒng)的液壓仿真模型如圖4 所示。

圖4 恒減速制動系統(tǒng)液壓仿真模型

2.2.2 仿真結(jié)果分析

基于RBF 網(wǎng)絡(luò)對PID 控制器積分、微分和比例三個環(huán)節(jié)的系數(shù)進(jìn)行整定。整定結(jié)果如下：比例環(huán)節(jié)系數(shù)為0.9，積分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.4，微分環(huán)節(jié)系數(shù)為0.01。本次仿真條件如下：仿真時間為12 s，在5 s 時刻開始進(jìn)行恒減速制動，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 恒減速制動效果

由圖5 可看出，在5 s 時刻開始恒減速制動時，提升機(jī)鋼絲繩速度從6.6 m/s 開始下降，對應(yīng)的減速度約為1.3 m/s2；當(dāng)在10 s 時鋼絲繩的速度降為0。從整體上講，鋼絲繩速度能夠按照預(yù)定速度曲線完成制動，而且相對誤差最大僅為9%，滿足理論與實際速度差小于15%的要求。

3 結(jié)語

提升機(jī)為煤礦生產(chǎn)的運輸系統(tǒng)，其主要承擔(dān)設(shè)備和人員的運輸任務(wù)。為滿足提升機(jī)在各類工況下均可以完成安全、及時、穩(wěn)定制動的功能，本文基于PLC控制器設(shè)計了恒減速制動系統(tǒng)。同時，基于RBF 網(wǎng)絡(luò)對恒減速制動系統(tǒng)的PID 控制器中三個環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行整定，保證其能夠適應(yīng)各個工況下的制動要求。經(jīng)仿真分析可知：所設(shè)計的提升機(jī)恒減速制動系統(tǒng)可按照預(yù)定曲線完成制動功能，而且理論速度和實際速度的誤差控制在9%以內(nèi)，滿足小于15%的要求。