礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

張 強(qiáng)

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電設(shè)備中心，山西 大同 037000)

0 引 言

礦用提升機(jī)是煤礦開(kāi)采的重要機(jī)械設(shè)備，隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展和智慧礦山理念的提出，礦用提升機(jī)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，可靠性和功能性也越來(lái)越強(qiáng)。提升機(jī)的液壓制動(dòng)對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要，控制核心電液閥的數(shù)量和控制邏輯決定了液壓制動(dòng)的有效性，對(duì)于液壓制動(dòng)電控系統(tǒng)而言，不僅需要控制液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)和電液閥的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓站壓力變動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)制動(dòng)，同時(shí)還要能夠?qū)崟r(shí)采集液壓制動(dòng)系統(tǒng)和整個(gè)提升機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，用以判定液壓制動(dòng)系統(tǒng)和提升機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，判定故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)執(zhí)行故障程序。為了實(shí)現(xiàn)礦用提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化，筆者設(shè)計(jì)一套礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要從硬件配置和軟件設(shè)計(jì)兩方面開(kāi)展，以期研究能夠起到指導(dǎo)作用。

1 礦用提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)分析

液壓制動(dòng)是一套復(fù)雜的完整系統(tǒng)，為了簡(jiǎn)單明了，以制動(dòng)器為例進(jìn)行液壓制動(dòng)工作原理分析說(shuō)明。制動(dòng)器是液壓系統(tǒng)執(zhí)行開(kāi)閉的執(zhí)行原件，其動(dòng)作直接受到制動(dòng)系統(tǒng)控制[1]。制動(dòng)器作用是通過(guò)制動(dòng)力的產(chǎn)生，降低提升機(jī)速度，在提升機(jī)不工作時(shí)，閘住卷筒保持提升機(jī)安全。礦用提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)器以盤(pán)形制動(dòng)器居多，使用閘瓦產(chǎn)生制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能[2]。液壓制動(dòng)系統(tǒng)盤(pán)形制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 礦用液壓制動(dòng)系統(tǒng)盤(pán)形制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程示意圖

制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行制動(dòng)降速操作時(shí)，盤(pán)形制動(dòng)器與液壓氣缸之間會(huì)形成一對(duì)反作用力，將液壓氣缸記為FN，同時(shí)制動(dòng)過(guò)程中液壓氣缸會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力，記為F2，蝶形彈簧產(chǎn)生F1作用力，整個(gè)系統(tǒng)受到的阻力記為FZ，制動(dòng)過(guò)程力平衡式見(jiàn)式(1)：

F2=FN+F1+FZ

(1)

制動(dòng)正壓力是制動(dòng)的主動(dòng)力，與液壓氣缸受到的力大小相等，方向相反，記為N，液壓氣缸產(chǎn)生的正壓力與氣缸結(jié)構(gòu)有關(guān)，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

N=F1+pA+FZ

(2)

式中：p為液壓油的壓力；A為液壓氣缸動(dòng)力作用面積。通過(guò)式(2)可以看出，制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力大小，與液壓氣缸液壓油壓力成正比關(guān)系。煤礦上常用恒力矩二進(jìn)制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)提升機(jī)制動(dòng)[3]。

2 制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化控制電控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信息交流與控制作用[4]，通過(guò)不同元器件組合應(yīng)用，保證制動(dòng)系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含兩方面內(nèi)容：電器元件選型與軟件設(shè)計(jì)。

(1) 控制系統(tǒng)電器元件

提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)電控系統(tǒng)主要電器元件包含：處理器PLC、采集提升機(jī)狀態(tài)的信號(hào)傳感器、控制制動(dòng)裝置的恒減速制動(dòng)控制卡、供電電源以及人機(jī)交互系統(tǒng)。通過(guò)信號(hào)傳感器對(duì)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；PLC處理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與控制命令的接收；恒減速制動(dòng)控制卡接收處理器發(fā)送的信息，通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)制動(dòng)機(jī)械部件的動(dòng)作，完成制動(dòng)動(dòng)作；人機(jī)交互系統(tǒng)是控制命令的輸入端，也是狀態(tài)顯示端。

PLC控制器作為系統(tǒng)處理中心，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。本方案選取PM556型CPU，該CUP具有數(shù)字量和模擬量的雙重?cái)U(kuò)展性，通訊接口包含以太網(wǎng)接口和串行通信接口兩種，配合通訊模塊和擴(kuò)展模塊，保證了處理效率和信息傳輸效率。通過(guò)不同擴(kuò)展模塊，PLC可以實(shí)現(xiàn)不同的制動(dòng)系統(tǒng)控制功能和信息處理功能。

信號(hào)傳感器根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)確定，種類(lèi)主要包括：液壓裝置壓力傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)溫度傳感器以及氣缸壓差傳感器等。傳感器精度和數(shù)量根據(jù)不同的需求有所不同。具體需要的信號(hào)傳感器種類(lèi)見(jiàn)圖2。

圖2 信號(hào)傳感器種類(lèi)

電源裝置包括為PLC供電的24V開(kāi)關(guān)電源、交直流轉(zhuǎn)換電源以及高低壓配電柜等。

恒減速制動(dòng)控制卡能夠在接收PLC控制器的制動(dòng)信號(hào)后，通過(guò)內(nèi)部電子元件電路控制，調(diào)節(jié)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)比例溢流閥和比例方向閥，通過(guò)閥門(mén)動(dòng)作完成制動(dòng)。恒減速制動(dòng)控制卡是由各種電子元件組成的電路結(jié)構(gòu)元件，其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 恒減速制動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)組成圖

(2) 控制系統(tǒng)軟件

制動(dòng)系統(tǒng)控制軟件主要包括PLC控制器控制程序和恒減速制動(dòng)卡程序。PLC控制器故障診斷程序的實(shí)現(xiàn)需要依托信號(hào)傳感器，控制流程見(jiàn)圖4。

圖4 PLC故障診斷流程圖

恒減速制動(dòng)卡程序氣動(dòng)時(shí)，首先檢測(cè)系統(tǒng)是否有效，確認(rèn)結(jié)果后控制一級(jí)安全制動(dòng)部件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)解除、駐閘，控制液壓氣缸加壓，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控滾筒轉(zhuǎn)速，根據(jù)滾筒轉(zhuǎn)速的不同，調(diào)節(jié)比例閥，達(dá)到線性調(diào)整液壓壓力的作用，滾筒轉(zhuǎn)速為零時(shí)，系統(tǒng)完全泄壓，制動(dòng)結(jié)束。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

按照設(shè)計(jì)方案，將提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在JTS-2 型礦用提升機(jī)實(shí)際控制操作中，通過(guò)對(duì)各模塊的搭建和調(diào)試以及信息采集模塊的選型，最終的自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面上，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集正確，故障顯示和報(bào)警功能正常，人機(jī)交互界面見(jiàn)圖5。

4 結(jié) 論

針對(duì)礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序流程，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，對(duì)推進(jìn)礦山智能化建設(shè)具有一定意義，研究主要形成以下結(jié)論。

(1) 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)主要通過(guò)控制液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)和電液閥的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓站壓力變動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)制動(dòng)。

圖5 制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

(2) 研究了PLC控制器、恒減速制動(dòng)控制卡以及各類(lèi)信號(hào)傳感器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的功能，對(duì)恒減速制動(dòng)控制卡的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析。

(3) 設(shè)計(jì)了PLC故障診斷控制流程，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)信號(hào)傳感器作為信息采集與輸入，通過(guò)處理器處理數(shù)據(jù)，并對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)完成故障診斷的控制模式。

(4) 自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，控制人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)，并可通過(guò)上位機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制操作。