軟硬件冗余礦井提升機(jī)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)研制

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1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原,0300242.山西新富升機(jī)器制造有限公司,太原,030013　　3.德國ITI有限公司,德累斯頓,01067

軟硬件冗余礦井提升機(jī)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)研制

黃家海1郭曉霞1權(quán)龍1趙瑞峰2黎文勇3麻慧君1

1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原,0300242.山西新富升機(jī)器制造有限公司,太原,0300133.德國ITI有限公司,德累斯頓,01067

摘要：安全制動(dòng)系統(tǒng)是提升設(shè)備的最后一道安全保障措施，其對(duì)提升機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性具有重要意義。針對(duì)目前恒減速制動(dòng)系統(tǒng)存在的不足之處，提出了一種基于軟硬件冗余的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)方案。為了提高系統(tǒng)安全性和可靠性，在回路中采用了冗余熱備用方法，使備用回路能夠?qū)崟r(shí)同步地替換故障回路?？蛰d實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案是可行的；由于受非線性、時(shí)變和延遲等因素影響，制動(dòng)初期速度誤差略大于制動(dòng)末期誤差。

關(guān)鍵詞：恒減速制動(dòng)；軟硬件冗余；速度控制；礦井提升機(jī)

0引言

礦井提升裝備承擔(dān)著物料、人員和設(shè)備的提升、下放等重任，素有礦山“咽喉”之稱[1]。安全制動(dòng)系統(tǒng)是其最后一道安全保障系統(tǒng)，當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，其能夠避免重大事故發(fā)生并阻止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，一旦安全制動(dòng)系統(tǒng)工作異?；蛭茨軐?shí)現(xiàn)有效制動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的重大事故[2-4]。

早期安全制動(dòng)系統(tǒng)基本采用恒力矩制動(dòng)(二級(jí)制動(dòng))，其存在以下不足：①由于提升載荷方向和大小經(jīng)常發(fā)生變化，容易導(dǎo)致安全制動(dòng)速度波動(dòng)范圍大；②對(duì)于摩擦式提升裝備而言，若提升載荷較大且提升高度較小，安全制動(dòng)時(shí)容易發(fā)生鋼絲繩打滑事故?；谝陨显?，恒減速制動(dòng)得到應(yīng)用。國外恒減速制動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)廠家主要有ABB[5-6]、SIEMAG[5]等；國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)能夠在吸收消化國外技術(shù)基礎(chǔ)上，生產(chǎn)類似產(chǎn)品。

研究人員對(duì)現(xiàn)有恒減速制動(dòng)系統(tǒng)已開展較多研究，文獻(xiàn)[6]利用比例溢流閥控制制動(dòng)壓力，并將神經(jīng)元PID算法應(yīng)用到控制器中。文獻(xiàn)[7-9]研究了控制算法對(duì)恒減速制動(dòng)系統(tǒng)性能的影響，控制對(duì)象同樣是比例溢流閥。麻慧君[10]設(shè)計(jì)了全數(shù)字式恒減速制動(dòng)PLC系統(tǒng)。Alec等[11]將分布式人工技術(shù)應(yīng)用到纏繞式提升裝備制動(dòng)系統(tǒng)中。Wang等[12]利用LabView軟件搭建了恒減速制動(dòng)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

現(xiàn)有系統(tǒng)存在以下不足：①采用模擬信號(hào)控制，導(dǎo)致主備回路無法實(shí)時(shí)同步切換；②僅在關(guān)鍵部位采用冗余，一旦失效，系統(tǒng)啟動(dòng)恒力矩制動(dòng)，導(dǎo)致制動(dòng)沖擊增大。

針對(duì)以上不足，提出了一種基于軟硬件冗余的恒減速制動(dòng)方案，該方案中所采用的冗余軟硬件熱備用方法可實(shí)現(xiàn)備用回路實(shí)時(shí)同步地替換故障回路，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1軟硬件冗余恒減速制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電氣控制部分采用雙機(jī)熱備方案，實(shí)現(xiàn)軟件冗余；液壓控制包括3條相互獨(dú)立的恒減速制動(dòng)子回路，如圖2所示，每條支路均包括獨(dú)立控制器、伺服比例閥和蓄能器等，3條支路采用動(dòng)態(tài)安全冗余方案，只需其中任意2條子回路正常，系統(tǒng)便可正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)軟硬件冗余；控制信號(hào)和卷筒轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)也同時(shí)施加給3條支路。

圖1　軟硬件冗余的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　兩用一備恒減速制動(dòng)簡(jiǎn)化原理

在圖2所示液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)中每個(gè)硬件均采取冗余備用方案。液壓動(dòng)力源由定量齒輪泵和伺服電機(jī)組成，同時(shí)向3個(gè)蓄能器供油。恒減速制動(dòng)回路主要包括伺服比例閥(圖中EH1、EH2和EH3)、備用回路切換閥組和制動(dòng)器。通過控制伺服閥輸入信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器壓力控制；備用回路切換閥組用于將備用回路接入到系統(tǒng)中，同時(shí)將故障回路切除；液壓控制子系統(tǒng)冗余切換服從電氣控制子系統(tǒng)調(diào)度和決策。

系統(tǒng)中還保留了一級(jí)制動(dòng)回路，當(dāng)提升罐籠(或箕斗)距離井口或井底距離非常短時(shí)(如小于10m)，電磁鐵S5、S6、S7和S8同時(shí)斷電。

2提升系統(tǒng)建模

圖3說明了摩擦式提升裝備安全制動(dòng)的兩種工況，即提升過程制動(dòng)和下放過程制動(dòng)，受到運(yùn)行方向影響，兩種工況下減速度值也不一樣。

(a)提升過程制動(dòng)(b)下放過程制動(dòng)圖3　提升機(jī)安全制動(dòng)過程示意簡(jiǎn)圖

上升階段制動(dòng)時(shí)，存在以下關(guān)系:

(1)

式中，Tz為制動(dòng)力矩；TL為外負(fù)載、摩擦力等產(chǎn)生的力矩；J為總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為卷筒角速度；t為時(shí)間。

下降階段制動(dòng)，存在以下關(guān)系：

(2)

Tz=fFzRn

(3)

式中，f為摩擦因數(shù)；Fz為制動(dòng)器正壓力；R為制動(dòng)器距卷筒中心距離；n為制動(dòng)器數(shù)量。

由圖4可知，式(3)中Fz與制動(dòng)壓力pc、碟簧剛度k和預(yù)壓縮量Δx0相關(guān)；假設(shè)k為常數(shù)，則當(dāng)pc=0時(shí)，由于存在Δx0(圖4a)，則:

Fz=kΔx0

(4)

圖4　盤形制動(dòng)器正壓力Fz計(jì)算簡(jiǎn)圖

當(dāng)提升機(jī)正常提升或下放時(shí)(圖4b)，制動(dòng)壓力為最大值pmax，此時(shí)Fz=0；當(dāng)處于恒減速制動(dòng)時(shí)(圖4c)，有：

(5)

Fz=kΔx0-pcA

(6)

由式(1)～式(3)和式(6)可得制動(dòng)速度的表達(dá)式為

(7)

由式(7)可知，pc對(duì)制動(dòng)速度有重要影響，若不考慮非線性、外負(fù)載時(shí)變(鋼絲繩長(zhǎng)度變化)和摩擦力矩等影響，只需控制pc即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)速度的精確控制；但由于實(shí)際工況中存在諸多干擾因素，因此系統(tǒng)中通常還需采用速度閉環(huán)控制。

利用SimulationX建立圖5所示的仿真模型，由于冗余回路結(jié)構(gòu)相同，所以仿真模型中僅對(duì)其中一條進(jìn)行仿真。在仿真模型中，將液壓動(dòng)力源和蓄能器簡(jiǎn)化成恒壓源；用單向閥將比例閥其中一個(gè)油口堵住；利用力矩模塊分別模擬外負(fù)載力矩和加載力矩。其他參數(shù)如下：卷筒直徑D=4 m，制動(dòng)壓Fmax=100 kN，閘瓦摩擦因數(shù)f=0.4，最大工作油壓pmax=12 MPa，活塞有效面積A=95 cm2。

圖5　速度、壓力閉環(huán)聯(lián)合仿真模型

3實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

受實(shí)際生產(chǎn)條件和煤礦安全認(rèn)證等因素限制，樣機(jī)只能首先在生產(chǎn)車間中進(jìn)行空載測(cè)試實(shí)驗(yàn)。制動(dòng)壓力pc測(cè)試結(jié)果如圖6所示，給比例閥施加方波信號(hào)，使pc首先由6MPa增大到9MPa，保持約2.5s后，再減小到6MPa。由圖6可知，在壓力上升階段，pc上升時(shí)間約為55ms，峰值時(shí)間約為110ms，最大超調(diào)量約為2.8%；在壓力下降階段，pc下降時(shí)間約為50ms，峰值時(shí)間約為80ms，最大超調(diào)量約為12.9%。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)樣機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖6　制動(dòng)壓力實(shí)測(cè)曲線

圖7所示為空載工況下實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果對(duì)比。由圖7可看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致，從而證明仿真結(jié)果具有一定精度，兩者之間存在的誤差主要與仿真模型中摩擦力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)與實(shí)際參數(shù)不完全一致有關(guān)。

圖7　加速度a=1.5 m/s2、v=3.7 m/s時(shí)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖8說明了外載質(zhì)量對(duì)制動(dòng)速度影響，由該圖可知，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，該系統(tǒng)依然能正常工作；但隨外載質(zhì)量增大，制動(dòng)初期速度誤差隨之發(fā)生改變，總體趨勢(shì)是誤差隨著外載質(zhì)量增大而增大。由圖9可知,當(dāng)制動(dòng)初速度v0達(dá)到16m/s，外載質(zhì)量為40t時(shí)，制動(dòng)速度與制動(dòng)時(shí)間依然成線性關(guān)系。在圖10中，當(dāng)制動(dòng)減速度達(dá)到4m/s2時(shí)，系統(tǒng)依然能夠有效制動(dòng)，此外隨著減速度增大，制動(dòng)時(shí)間將隨之縮短。

圖8　外載質(zhì)量對(duì)制動(dòng)速度的影響(v0=3.7 m/s,a=1.5 m/s2)

圖9　初速度對(duì)制動(dòng)速度的影響(m=40 t,a=2 m/s2)

圖10　減速度對(duì)制動(dòng)速度的影響(m=40 t)

4結(jié)論

本文針對(duì)目前恒減速制動(dòng)系統(tǒng)存在的不足之處，提出了改進(jìn)方案，在對(duì)其進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，研制了樣機(jī)，在生產(chǎn)車間內(nèi)對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行空載實(shí)測(cè)，結(jié)果表明文中所提方案是可行的，系統(tǒng)在空載條件下能夠正常工作；由于制動(dòng)器空動(dòng)行程，導(dǎo)致制動(dòng)初期速度誤差大于制動(dòng)末期誤差，若能進(jìn)一步提高制動(dòng)器控制壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，以及優(yōu)化速度閉環(huán)PID控制器參數(shù)，則可有望減小制動(dòng)初期速度誤差；當(dāng)控制系統(tǒng)其他參數(shù)不變時(shí)，制動(dòng)速度誤差隨著外載荷增大而增大。

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(編輯袁興玲)

DevelopmentofMineHoistConstant-decelerationEmergencyBrakingSystemwithSoftwareandHardwareRedundantDesign

HuangJiahai1GuoXiaoxia1QuanLong1ZhaoRuifeng2LiWenyong3MaHuijun1

1.KeyLaboratoryofAdvanceTransducersandIntelligentControlSystem,MinistryofEducation,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,0300242.ShanxiXinfushengMachineManufacturingCo.,Ltd.，Taiyuan0300133.ITIGmbH,Dresden,Germany,01067

Abstract:Constant-deceleration emergency braking system was considered as the ultimate security measure of a mine hoist. It was of great significance for safety and reliability of the mine hoists. Aiming at the shortcomings of the present constant-deceleration emergency braking system, a constant-deceleration emergency braking system was presented herein based on software and hardware redundant design. In this system, the faulty circuit was replaced synchronously in real-time by the spare one because the hot spare was adopted in the redundant design. The numerical and experimental results under unloade show that the scheme is feasible. They also show that the speed tracking error at the early stages is higher than that at the last stages because of the nonlinearity, time-varying and delay.

Key words:constant-deceleration emergency brake; software and hardware redundancy; speed control; mine hoist

收稿日期：2015-05-04

基金項(xiàng)目：山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MJ2014-11)；山西省國際科技合作項(xiàng)目(2015081017)

中圖分類號(hào)：TD5

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.009

作者簡(jiǎn)介：黃家海，男，1979年生。太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所副教授、博士。主要研究方向?yàn)橐簤涸㈦娨罕壤刂葡到y(tǒng)。郭曉霞，女，1990年生。太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所碩士研究生。權(quán)龍，男，1959年生。太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。趙瑞峰，男，1965年生。山西新富升機(jī)器制造有限公司副總工程師。黎文勇，男，1972年生。德國ITI有限公司工程師。麻慧君，男，1983年生。太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程研究所碩士研究生。