煤礦立井提升機液壓制動系統控制器設計

崔爭氣

(內蒙古鄂爾多斯永煤礦業投資有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤礦立井提升機液壓制動系統作為煤礦提升機重要的保障，其液壓制動系統故障可能引起墜罐、滑動、過卷等運輸事故，影響了煤礦安全開采。煤礦立井提升機液壓制動主要分為緊急制動和工作制動，當遇到緊急情況時，提升機啟動緊急制動方式，對提升機實施二級制動，進行抱閘停車；當工作制動情況時，系統改變提升機滾筒的制動力矩，使煤礦提升機進行停車。目前，國內高校對提升機液壓制動系統的研究有了很大的進步，包括提升機綜合后備保護裝置、制動盤斷面跳動的動態監測和閘瓦的溫度監測等。但其中部分研究針對監測量單一，不能夠做到通用和設備高集成度，也不能根據煤礦具體環境進行有效改進[1-4]。為此，本文研究了煤礦立井提升機液壓制動系統控制器，分析了控制器硬件組成和軟件部分，研究使煤礦提升機液壓制動系統更智能化、穩定、可靠和精確。

1 提升機液壓制動系統

本文研究的提升機的液壓制動系統的核心是盤式制動閘和TE130型液壓站[5-6]。

(1)煤礦立井提升機液壓制動系統的執行裝置為盤式制動閘，主要分為液壓型制動閘和電磁型制動閘，液壓型盤式制動閘結構主要由連接軸、蝶形彈簧、連接螺栓、活塞、油缸、閘瓦、制動器體等組成。盤式制動閘工作原理如圖1所示。

圖1 盤式制動閘工作原理Fig.1 Working principle of disc brake

當油缸無壓力油時，F1推動閘瓦向左移動，實現全制動；當壓力油進入油缸時，會產生壓力F2，當F1>F2>0，F1對制動盤作用力減小，實現部分制動；當F1

(2)煤礦立井提升機液壓制動系統的動力裝置為液壓站，主要控制著盤式制動閘的開合。液壓站主要由截止閥、溫度計、壓力表、壓力表開關、液動換向閥、彈簧蓄力器、電磁換向閥、單向閥、液壓閥、溢流閥、電磁換向閥、電液調壓裝置、紙質過濾器、液壓泵、電機、過濾器和油箱等組成。TE130型液壓站如圖2所示。

圖2 TE130型液壓站Fig.2 TE130 hydraulic station

2 控制器組成和結構

煤礦立井提升機液壓制動系統控制器主要由485通信模塊、電流采樣模塊、功率放大模塊、A/D轉換模塊、保護電路模塊、電源電路模塊和主控電片機模塊組成[7-10]。煤礦立井提升機液壓制動系統控制器結構如圖3所示。①485通信模塊，為上位機和主控單片機提供通信接口；②電流采樣電路，主要是采樣電液比例溢流閥線圈電流；③功率方法模塊，將主控單片機的信號進行放大；④A/D轉換模塊，主要是模數轉換；⑤保護電路模塊，防止開關器件因過電流而被擊穿，并為系統提供過流保護；⑥電源電路模塊，為系統的電能供應模塊，為外圍電路和主控單片機提供電壓；⑦主控單片機模塊，是煤礦立井提升機液壓制動系統控制器的核心。

圖3 煤礦立井提升機液壓制動系統控制器結構Fig.3 Controller structure of hydraulic braking system of mine shaft hoist

3 控制器硬件部分

控制器硬件部分主要包括A/D轉換模塊、主控單片機模塊、分頻電路、過流保護電路、電流采樣電路、485通信模塊等[11-13]。

(1)A/D轉換模塊。將電液比例閥閉環控制的角加速度傳感器電流信號，監測裝置電壓信號、電流信號轉換為數字信號，并輸入到主控單片機中，系統選擇ADS7852Y型A/D轉換模塊，模塊具有12位數字信號輸出、8通道輸入。A/D轉換模塊工作原理如圖4所示。

圖4 A/D轉換模塊工作原理Fig.4 Working principle of A/D conversion module

圖4中，AD0—AD11為12位數據輸出，與主控單片機I/O口連接；V1—V6為狀態監測系統的傳感器信號輸入；V7為電液比例閥閉環控制器的角加速度傳感器信號輸入；V8為滾筒角速度傳感器信號。

(2)主控單片機模塊。主要有晶振電路、復位電路、單片機和若干接口的網絡標號。其中，晶振電路采用主頻為12MHz的晶振作為時鐘；復位電路采用IMP812LEUST-T電壓監控芯片；單片機采用AT89S8253對單片機，能夠提供2 kB的EEPROM數據存儲器和12 KB的Flash程序存儲器。

(3)分頻電路。A/D轉換需要128 μs的狀態值讀取時間控制信號和1 MHz的時鐘頻率，需要使用分頻電路。主要采用SN74HC393雙路四位二進制計數器。分頻電路原理如圖5所示。圖5中，CLK0為2 MHz的頻率信號；CLK1為監測裝置的信號讀取時間頻率。

圖5 分頻電路原理Fig.5 Principle of frequency division circuit

(4)過流保護電路。比例閥線圈過流保護電路如圖6所示。

圖6 比例閥線圈過流保護電路Fig.6 Over current protection circuit of proportional valve coil

(5)電流采樣電路。主要對比例溢流閥線圈電流實時采樣，采樣電阻選擇0.22 Ω、0.5 W，來降低對電磁閥線圈電流的影響。通過HCNR201型高線性模擬光耦實時光電隔離，然后經二階濾波電路和電壓放大進行濾波，并將電壓信號輸送到A/D轉換芯片中。

(6)485通信模塊。主要是實現上位機和單片機的通信，采用RSM485系列的低速隔離收發器，該設備主要包括總線保護器件、RS-485接口、電氣隔離、電源隔離等，最大波特率為936 Kb/s，采用5 V供電。

4 控制器軟件部分

控制器軟件部分主要有控制器主程序、傳感器信息采集模塊、A/D數據處理模塊、外部ROM存儲模塊、模糊控制子程序模塊、占空比調節模塊、串口通信子程序模塊。本文僅介紹控制器主程序和傳感器信息采集模塊、A/D數據處理模塊。

(1)控制器主程序。本文采用C語言進行下位機軟件的編寫，煤礦立井提升機液壓制動系統控制器主程序如圖7所示。

圖7 煤礦立井提升機液壓制動系統控制器主程序Fig.7 Main program of hydraulic brake system controller for mine shaft hoist

(2)傳感器信息采集模塊、A/D數據處理模塊。傳感器信息采集模塊主要采集電機電流、液壓站油溫、油壓等模擬量，其流程如圖8(a)所示。A/D數據處理模塊主要通過多次采集求平均值的方法，對數據進行采集和校正。其流程如圖8(b)所示。

圖8 傳感器信息采集和A/D數據處理模塊Fig.8 Sensor information collection and A/D data processing module

5 結論

本文在分析提升機液壓制動系統基礎上，設計了煤礦立井提升機液壓制動系統控制器，針對控制器各個模塊，對其電路進行了研究，并對控制器主程序和傳感器信息采集模塊、A/D數據處理模塊進行了軟件設計。研究實現了煤礦立井提升機液壓制動系統的智能控制及傳感器的處理和采集功能。