關于礦用提升機制動過程控制系統的設計研究

張 銘

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046200）

引言

制動系統作為礦井提升機的關鍵部件，其性能好壞決定著提升機能否安全運行，一旦礦用提升機在工作過程中制動環節出現故障，將會造成設備損壞、生產中斷、人身傷亡等嚴重后果，給企業和個人帶來不可估量的經濟損失[1-3]。近年來煤礦企業對生產安全重視程度越來越高，煤礦事故逐年降低，但是由于提升機制動過程故障導致的傷亡事故時有發生。因此研究礦用提升機制動過程控制系統對進一步提升礦用提升機制動過程的可靠性具有重要的意義。

1 礦用提升機制動系統的組成及工作原理

目前國產礦用提升機制動全部使用液壓盤形制動器，制動力來源于蝶形彈簧組，液壓控制盤形制動閘動作，實現提升機的制動過程，應用過程中具有良好的制動性能。液壓盤形制動系統組成有給定模塊、電控模塊、液壓系統模塊、盤形制動器模塊、制動負載。工作原理是控制系統獲取制動信號之后傳輸至控制器，由控制器對制動電信號進行A/D 轉換并進行分析處理，輸出液壓系統能夠識別的控制信號；液壓系統接收控制信號輸送給系統中的電磁閥、液壓泵、液壓馬達等，實現液壓回路的控制，為制動系統提供高壓油，推動制動器執行制動操作。

2 礦用提升機制動過程電控系統的結構及設計要求

2.1 制動過程電控系統結構

液壓盤形制動器電控系統的作用是控制伺服控制閥、比例溢流閥、電磁換向閥等閥件，使其按照規定要求動作，控制系統的結構如圖1 所示。由圖1 可以看出液壓盤形制動器控制系統由電源電路模塊、數字量/模擬量轉換模塊、手動制動控制模塊、控制器及其相關外圍電路、信號放大電路模塊及電流檢測電路模塊等組成。其中電源電路模塊在液壓盤形制動控制構成中為其他各個模塊輸送標準電壓；數字量/模擬量轉換模塊主要完成數字量信號與模擬量信號之間的相互轉化，使各個模塊均能獲得各自可以識別和處理的信號；手動制動控制模塊適用于礦用提升機手動制動操作，當操作人員促動手柄時電控系統就會產生電信號，隨后進入數字量/模擬量轉換模塊進行電信號的轉換，轉換完成之后輸入單片機進行處理；控制器及相關外圍電路模塊是指單片機處理器以及與之相關聯的電源電路、復位電路、晶振電路等；信號放大電路模塊連接在單片機的輸出端，用于對單片機輸出的微小控制信號進行放大處理，降低外界干擾；電流檢測電路模塊主要作用是對相關電磁控制閥線圈中的電流信號進行在線檢測，檢測信號進行光電隔離處理之后反饋給單片機。

圖1 控制系統結構框圖

2.2 制動過程電控系統設計要求

當前礦用提升機制動系統多采用二級制動控制，屬于恒力矩制動，制動過程中減速度不可控，制動效果仍有提升空間。恒減速制動控制可以通過加速度傳感器監測減速度，反饋調節制動油壓使礦用提升機以規定減速度制動[4-5]。綜合上述兩種制動控制方式的優點，對當前使用的礦用提升機進行了改進：第一是在二級制動方式的基礎上增加恒減速制動方式，為提升機的制動提供雙保險；第二是重要的液壓控制回路設計雙通道，確保液壓回路暢通，可靠制動。恒減速制動和雙通道液壓回路的設計導致當前電控系統不能滿足改進后礦用提升機的要求，因此，需要完成相關電控系統的設計工作。

3 液壓盤形制動過程電控系統的設計

3.1 控制器與其外圍電路

控制器選擇型號為CW89F52 的單片機，其隨機存儲器容量為512B 字節、配置32 個輸入/輸出接口、Flash 大小為8K、支持兩種省電模式、兼容8051系列單片機引腳，同時具有性能優良、節能節電的優點[6]。圖2 給出了控制器及外圍控制電路系統。

圖2 控制器及外圍控制電路系統

系統中微控制器的晶振頻率設置為12 MHz；RP1 位置配置8 個P0 口；IMP812MEUST 型芯片用于監控系統電壓，控制單片機電路復位，包括自動和手動兩種復位模式，前者要求JP1 斷路，后者要求JP1 短路；控制單片機的PWM 電平信號分別由PWMInL 和PWMInH 發出，比例閥線圈過流信號反饋給PWMOI 實現過流保護控制，PWM 信號反饋給PWMOut 實現故障診斷。BEnd 為制動器的松閘信號；CLK0 多次分頻之后輸出A/D 轉換器的時鐘信號，包括ADCK 和CLK2。

3.2 手柄給定信號電路

手柄給定信號電路主要用于提升機手動操作模式，其需要與零位開關配合使用，當零位開關接通，液壓盤形制動器松閘，反之緊閘制動。手柄發出的制動信息在電路中形成對應的電流信號，經過光電隔離進入轉換電路轉化成對應的電壓信號，之后經過A/D 轉換器進一步轉換成控制器能夠讀懂的數字信號并進行分析處理，獲得手柄制動信號的給定值。圖3 給出了手動給定信號電路。

電路中由MBRIn、電位器VR1、電阻R7 串聯獲取給定信號電流值；電流的采樣通過采樣電阻R10實現；差動信號轉換單邊信號由放大器D5 實現；為了保證信號的穩定性，電路中設計了C5、C6 兩個濾波電容；D6 放大器完成電流信號到電壓信號的轉變功能；VR1 可變電阻用于調整信道的增益。

圖3 手動給定信號電路

3.3 信號放大電路模塊

單片機輸出的微弱控制信號不能夠直接驅動閥的控制線圈，而且傳輸過程中極易受到外界或者強電的干擾，故將微弱信號首先輸入功率放大器進行放大處理，之后用于驅動電磁閥的動作。圖4 給出了信號放大器電路。

圖4 信號放大電路

電路中對停車指令信號Vses 的放大處理過程如下：PWM發出的高、低電平信號分別經過D4B 和D4C 進行反向濾波處理，之后與線圈過流信號進行運算，之后進行光電隔離，其中U3A、U3B 為光電隔離裝置。單片機發出PWM信號，若比例閥線圈電流處于正常范圍，U3 發光二極管形成光電隔離，之后進入功率放大器進行信號的放大；若比例閥線圈電流超過正常范圍，U3 發光二極管斷開，不能發出驅動信號，對線圈進行過流保護。

3.4 A/D 轉換電路

A/D 轉換電路的作用是將模擬信號轉換成單片機能夠識別的數字信號，A/D 轉換電路如圖5 所示。A/D 轉換器型號為ADS7852Y，是一種12 位8 通道轉換器，可以將外部12 V 電源信號轉換成5.1 V 為其提供電能。A/D 轉換器的外部時鐘信號主要來自單片機的分頻，其內部基準電壓和外部供電電源的濾波處理主要由C16、C17、C18 及C19 完成。

圖5 A/D 轉換電路

3.5 電源電路

控制系統中需要+5 V、+7.5 V、+24 V 三種電源，其中：+5 V 電源的供電對象是單片機、放大器等元器件；+7.5 V 電源的供電對象是運算器、MOSFET等；+24 V 電源的供電對象是制動操作手柄、閥類線圈等，電源電路如圖6 所示。開關電源SW100 完成220 V 交流電的轉換得到+24 V 的電源電壓，DFA5-24S12 和DFA5-24S5 完成+24 V 電源電壓的轉換得到+12 V 與+5 V 的電源電壓，通過穩壓操作將+12 V 電壓降低獲得+7.5 V 電源電壓。

圖6 電源電路

4 應用效果

配合礦用提升機制動系統功能改造完成了電控系統的設計，為了進一步驗證電控系統的改進效果，進行了改進前后礦用提升機制動系統的對比測試。測試結果表明礦用提升機改進制動系統之后制動響應更加迅速、運行更加平穩。新設計的電控系統邏輯關系準確、運行順暢。應用改進制動系統的礦用提升機在整個制動測試過程中未出現任何問題，制動系統的可靠性得到了顯著提高。