無極繩絞車液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與模擬

靳 璞

（同煤集團(tuán)忻州窯礦， 山西 大同 037000）

引言

無極繩絞車是井下利用鋼絲繩雙向牽引的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備。適合于煤礦大傾角、多坡度、長距離、大噸位條件下工作面、采區(qū)上下山等的不轉(zhuǎn)載直達(dá)運(yùn)輸，具有設(shè)備數(shù)量少、占地小、提升能力強(qiáng)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是礦井復(fù)雜條件下重要的輔助運(yùn)輸工具[1-2]。無極繩絞車的普遍使用，減少了物料運(yùn)輸?shù)碾y度和用工數(shù)量，增加了運(yùn)輸速度，大大提高了運(yùn)輸效率[3]。普通的無極繩絞車，大都采用手柄控制模式，對絞車設(shè)備運(yùn)輸速度和升降進(jìn)行控制。針對手柄控制存在的精度低、監(jiān)控手段匱乏、安全性低、驅(qū)動(dòng)裝置所受沖擊力大等不足[4-5]，本文以煤礦普遍使用的JKY 型無極繩絞車為例，重建液壓控制系統(tǒng)，提高了絞車自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了無極繩絞車的安全性，降低了絞車的操控難度。

1 普通無極繩絞車控制系統(tǒng)存在的問題

在對井下無極繩絞車操控時(shí)，操控人員通過調(diào)整絞車的控制手柄來改變絞車變量泵體（ZBS-H915）的轉(zhuǎn)子偏心度，從而調(diào)節(jié)變量泵體的流量值，實(shí)現(xiàn)對絞車運(yùn)行速度的控制。液壓絞車控制系統(tǒng)見圖1。在開環(huán)控制系統(tǒng)下沒有進(jìn)行相關(guān)的反饋裝置設(shè)計(jì)，所以絞車操控人員要通過不斷的調(diào)整手柄來實(shí)現(xiàn)對絞車運(yùn)速的準(zhǔn)確控制。由于沒有反饋和顯示系統(tǒng)，所以絞車運(yùn)行時(shí)的速度、平穩(wěn)度和準(zhǔn)確性無法進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)，往往依賴于操控者的經(jīng)驗(yàn)，存在不足。

2 絞車液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)控制原理

絞車工作狀態(tài)共有三種：絞車下放、上提和停止制動(dòng)。在控制系統(tǒng)中，單片機(jī)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(yùn)行狀況，同時(shí)作出與控制手柄同步的響應(yīng)，圖2 是絞車具體的響應(yīng)流程圖。

圖1 JKY 絞車控制系統(tǒng)示意圖

圖2 絞車響應(yīng)流程圖

控制手柄處于上推狀態(tài)時(shí)，無極繩絞車可對相關(guān)設(shè)備和材料進(jìn)行提升，上推程度越高，絞車提升速度越快，這時(shí)控制系統(tǒng)中的三位四通電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)是位于左側(cè)，而兩位四通電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)是位于右側(cè)，且兩位兩通電磁閥此時(shí)處于全部打開狀態(tài)，以控制絞車制動(dòng)器松閘；絞車上提時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)設(shè)備、材料提升；控制系統(tǒng)中的PID 控制設(shè)備和PLC 單片機(jī)通過監(jiān)測手柄上推程度，與預(yù)置程序進(jìn)行比較，輸出既定信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過絞車卷筒的傳動(dòng)進(jìn)行速度控制。

當(dāng)控制手柄處于下推狀態(tài)，可控制絞車向下運(yùn)動(dòng)，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(shí)相反，即電磁閥分別位于右側(cè)、左側(cè)和關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)過1.5 s 的預(yù)置時(shí)間后，兩位兩通電磁閥打開，絞車液壓制動(dòng)器松閘，制動(dòng)停止，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)控制系統(tǒng)中的PID 控制設(shè)備和PLC 單片機(jī)通過監(jiān)測手柄下推程度，與預(yù)置程序進(jìn)行比較，輸出既定信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過絞車卷筒的傳動(dòng)進(jìn)行速度控制。

當(dāng)控制手柄處于未動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，無極繩絞停止運(yùn)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)控制設(shè)備和單片機(jī)監(jiān)測到手柄位置后按照預(yù)置程序，將絞車卷筒轉(zhuǎn)速降至0，同時(shí)控制液壓制動(dòng)器，使處于制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)絞車遇到緊急情況需要制動(dòng)時(shí)，可手動(dòng)拉起制動(dòng)桿，使絞車卷筒停轉(zhuǎn)，以達(dá)到緊急制動(dòng)目的。

2.2 速度自動(dòng)控制的分析

2.2.1 轉(zhuǎn)速區(qū)間控制分割

絞車手柄收到操控時(shí)，控制系統(tǒng)中的模擬電路會(huì)發(fā)出電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)被單片機(jī)所讀取，單片機(jī)將其與傳感器監(jiān)測的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速對比，取差值△w。當(dāng)控制手柄指示的方向與此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，單片機(jī)將此時(shí)的△w絕對值除以20 r/min，得到的值即為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，先將目標(biāo)轉(zhuǎn)速取整，記為i，然后將目標(biāo)轉(zhuǎn)速切割為（i+1）個(gè)區(qū)間目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將前i個(gè)區(qū)間目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制時(shí)長定為1 s。如果△w值是正數(shù)，則在前i個(gè)區(qū)間驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速均增加20 r/min，并保持至第i區(qū)間結(jié)束。在第i區(qū)間結(jié)束后，此時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速將和控制手柄控制的轉(zhuǎn)速一致；如果△w為負(fù)時(shí)，在前i個(gè)區(qū)間，將每個(gè)區(qū)間的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速減少20 r/min，并保持至第i區(qū)間結(jié)束，在第i區(qū)間結(jié)束后，此時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速將和控制手柄控制的轉(zhuǎn)速一致。

當(dāng)控制手柄指示的方向與此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，對目標(biāo)轉(zhuǎn)速的實(shí)現(xiàn)將分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段需要將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為0，然后對當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取差，求取△w值，然后將目標(biāo)轉(zhuǎn)速區(qū)間分割；第二個(gè)階段將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為控制手柄指示的速度，然后與0 轉(zhuǎn)速取差求△w值，再將目標(biāo)轉(zhuǎn)速區(qū)間分割。

2.2.2 PID 速度控制

在控制系統(tǒng)PLC 單片機(jī)對控制手柄指示的目標(biāo)轉(zhuǎn)速度區(qū)間分割后，每一個(gè)速度區(qū)間內(nèi)，單片機(jī)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速分割值轉(zhuǎn)化為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與驅(qū)動(dòng)電機(jī)角速度傳感器監(jiān)測的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行對比，計(jì)算旋轉(zhuǎn)速度和當(dāng)前區(qū)間目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差，差值經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，將模擬信號值傳輸至PID 控制器中，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過（i+1）個(gè)區(qū)間的調(diào)速后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就調(diào)整為控制手柄的指示速度，完成了對無極繩絞車運(yùn)行速度的精確控制。

3 模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

本次采用AMEsim 軟件對建立的控制系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行分析驗(yàn)證。首先利用AMEsim 軟件進(jìn)行絞車液壓自動(dòng)控制模擬，在模擬運(yùn)行時(shí)對PID 參數(shù)賦值，設(shè)定KI為60，KP為1 400，KD為1 100，絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大拉力值設(shè)為500 kg，模擬轉(zhuǎn)速輸入分為0～-40 r/min 和-50～0 r/min 等，觀測在此情況下絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)反饋和轉(zhuǎn)速控制情況。開始模擬時(shí)間設(shè)為0 s，采樣間隔設(shè)為0.01 s，模擬總時(shí)間分別為6 s、24 s。

3.2 模擬結(jié)果的分析

當(dāng)控制手柄指示目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為-40 r/min 時(shí)，絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速從0 r/min 至-40 r/min 的響應(yīng)曲線見圖3。當(dāng)控制手柄指示目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0 時(shí)，絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從-50 r/min 降至0 的響應(yīng)曲線見圖4。

圖3 0～-40 r/min 旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)曲線

圖4 -50～0 r/min 旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)曲線

由圖3 可知，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速由0 至-40 r/min的過程中，制動(dòng)閘啟動(dòng)時(shí)間延遲了1.5 s，在速度下降的整個(gè)過程中，旋轉(zhuǎn)速度未發(fā)現(xiàn)有較大波動(dòng)，速度調(diào)整總共耗時(shí)3.6 s，絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最終旋轉(zhuǎn)速率保持于-39.60 r/min，比目標(biāo)值-40 r/min 小了0.40 r/min，在允許誤差1 r/min 范圍內(nèi)。

由圖4 中知，在絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速由-50 r/min變?yōu)? 的過程中，PLC 單片機(jī)將指示的目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整分為了三個(gè)階段，即轉(zhuǎn)速從-50 r/min 至-30 r/min、從-30 r/min 至-10 r/min 和轉(zhuǎn)速從-10 r/min至0 部分。PID 控制器調(diào)整轉(zhuǎn)速-50 r/min 至-30 r/min 階段總耗時(shí)1 s，-30 r/min 至-10 r/min 階段總耗時(shí)1 s，-10 r/min 至0 階段總耗時(shí)4 s。在絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速的整個(gè)過程中，未發(fā)現(xiàn)絞車運(yùn)行速度出現(xiàn)大幅波動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到了運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

基于PLC 單片機(jī)以及PID 控制器的無極繩絞車液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無極繩絞車的平穩(wěn)運(yùn)行。在對絞車控制手柄進(jìn)行操控后，PLC 單片機(jī)首先對絞車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后對各液壓閥進(jìn)行控制，同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)速度分割，最后PID 控制器對絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，完成絞車運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)整。本次采用AMEsim 軟件對設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)可以起到絞車運(yùn)轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)調(diào)節(jié)的作用。本次設(shè)計(jì)提高了無極繩絞車自動(dòng)控制水平，有效解決了以往絞車速度控制依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的問題。