單片機(jī)技術(shù)在礦山提升機(jī)電氣控制中的應(yīng)用研究

程 慧

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

礦山提升機(jī)在礦山開(kāi)采過(guò)程中承擔(dān)礦物運(yùn)輸與作業(yè)人員升降的重要生產(chǎn)設(shè)施，其工作情況對(duì)礦山開(kāi)采工程的進(jìn)行效率以及礦采作業(yè)安全有非常大的影響。傳統(tǒng)的礦山提升機(jī)電氣控制使用高壓變頻器，通過(guò)調(diào)整提升機(jī)的工作頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)其在不同工況下的電氣控制[1]。這種控制方法具有低成本、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法單純依靠改變電機(jī)頻率會(huì)導(dǎo)致控制響應(yīng)出現(xiàn)延時(shí)，導(dǎo)致控制輸出存在較大的偏差，造成較大的能源消耗。單片機(jī)技術(shù)具有高性價(jià)比、開(kāi)發(fā)使用簡(jiǎn)單，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在不同的行業(yè)中得到了廣泛使用?；谝陨戏治鰞?nèi)容，本文將研究基于單片機(jī)技術(shù)的礦山提升機(jī)電氣控制方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的研究。

1 基于單片機(jī)技術(shù)的礦山提升機(jī)電氣控制方法研究

在本文設(shè)計(jì)的電氣控制方法中，通過(guò)4個(gè)主要步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山提升機(jī)的電氣控制，電氣控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程詳見(jiàn)下文。

1.1 單片機(jī)采集礦山提升機(jī)工況信號(hào)

在本文設(shè)計(jì)的礦山提升機(jī)電氣控制方法中，使用單片機(jī)作為核心，完成電氣控制過(guò)程中對(duì)礦山提升機(jī)的信號(hào)采集、運(yùn)算、通信以及指令傳遞等功能。結(jié)合礦山提升機(jī)電氣控制的實(shí)際需求，本文選用MCU型C8051F310單片機(jī)作為礦山提升機(jī)工況信號(hào)采集處理的核心。該芯片具有高兼容性的CIP-51內(nèi)核、支持10位200ksps的ADC通道。其內(nèi)部的25MHz振蕩器可實(shí)現(xiàn)高精度編程。芯片內(nèi)的1280bits RAM能夠存儲(chǔ)緩存質(zhì)量，4×16位定時(shí)器組成看門(mén)狗陣列，能夠防止控制程序出現(xiàn)死循環(huán)，減少礦山提升機(jī)故障率[2]。

單片機(jī)通過(guò)通信串口與傳感器相連，由傳感器采集礦山提升機(jī)不同部件的工作信號(hào)。根據(jù)礦山提升機(jī)的工作原理，分別在閘瓦同制動(dòng)盤(pán)的間隙安裝位移傳感器、在制動(dòng)閘端面安裝HZ-8500非接觸式渦流傳感器、在提升機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處安裝CYB-20壓力傳感器。傳感器根據(jù)單片機(jī)的工作頻率，將采集的信號(hào)經(jīng)由通信總線傳輸至單片機(jī)中，由單片機(jī)及周?chē)娐穼?duì)傳感器采集信號(hào)進(jìn)行處理、分析。

1.2 礦山提升機(jī)工況信號(hào)調(diào)理

根據(jù)單片機(jī)主控芯片C8051F310的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓為3.3V，需要對(duì)傳感器采集輸出的電流信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。

礦山提升機(jī)工況信號(hào)調(diào)理首先將電流信號(hào)通過(guò)低通濾波電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波處理。低通濾波回路由參考電阻和電容組成，根據(jù)具體的傳感器技術(shù)參數(shù)可以確定參考電阻值，計(jì)算公式如下：

上式中，Vref為單片機(jī)主控芯片的參考電壓；Imax為傳感器輸出的最大電流值。單片機(jī)周?chē)腁D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式后，將信號(hào)輸出單片機(jī)的控制器中，由控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，給出對(duì)應(yīng)的控制輸出。

1.3 實(shí)現(xiàn)礦山提升機(jī)電氣控制

鑒于礦山提升機(jī)的復(fù)雜工況，本文研究的電氣控制方法依據(jù)模糊控制理論實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山提升機(jī)的運(yùn)行控制。以經(jīng)典的模糊控制器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)其控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

首先將傳感器測(cè)量的精確量按照下式轉(zhuǎn)換為模糊量：

上式中，x為傳感器測(cè)量的精確量；區(qū)間[a,b]為傳感器測(cè)量值的精確變化區(qū)間。通過(guò)上式將精確值映射至[-6,6]區(qū)間上，將映射值離散化后，生成對(duì)應(yīng)的模糊量。根據(jù)模糊控制原理，礦山提升機(jī)控制可以視為一階慣性環(huán)節(jié)，提升機(jī)及其執(zhí)行部件的傳遞函數(shù)如下所示[3]：

上式中，C(S)為模糊控制器的輸入量；R(S)為模糊控制器的輸出量；K為控制比例參數(shù)；T1、T2分別為模糊控制器的延時(shí)。為提高對(duì)礦山提升機(jī)的控制效果，在模糊控制器中加入積分控制以減少控制誤差。積分控制規(guī)律表達(dá)式如下：

上式中，p(s)為控制器的輸出變化量；e(s)為積分控制輸入量的輸入偏差；K1為積分比例系數(shù)。將積分控制直接與模糊控制器并聯(lián)作用，積分控制直接作用與模糊控制的輸出偏差，將偏差值乘以積分比例系數(shù)后，輸出形成總的控制。在對(duì)礦山提升機(jī)進(jìn)行實(shí)際控制時(shí)，采用多模態(tài)分段控制，將控制器的輸出偏差作為閾值，若偏差小于閾值時(shí)，采用模糊控制進(jìn)行控制，減少控制響應(yīng)過(guò)程的超調(diào)量；若輸出偏差大于閾值，則采用模糊控制與積分控制并聯(lián)的方式進(jìn)行控制，最大限度地減少控制誤差。至此，完成了對(duì)基于單片機(jī)技術(shù)的礦山提升機(jī)電氣控制方法的研究。

2 實(shí)例分析

礦井提升機(jī)對(duì)于保障礦山的正常開(kāi)采工作順利進(jìn)行十分重要，傳統(tǒng)的礦山提升機(jī)電氣控制方法存在控制響應(yīng)較慢、控制輸出誤差較大的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，上文研究了一種基于單片機(jī)的礦山提升機(jī)電氣控制方法。本節(jié)將通過(guò)實(shí)例測(cè)試的方式，驗(yàn)證該電氣控制方法的可行性與可靠性。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某一中型礦山的兩臺(tái)礦山提升機(jī)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象。實(shí)驗(yàn)選用的兩臺(tái)礦山提升機(jī)為JTKB-1.0×0.8型齒輪傳動(dòng)的變頻雙滾筒提升機(jī)，提升機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 礦山提升機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的形式，為形成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用傳統(tǒng)的礦山提升機(jī)電氣控制方法作為對(duì)比組，上文研究的基于單片機(jī)的礦山提升機(jī)電氣控制方法作為實(shí)驗(yàn)組。分別使用兩組礦山提升機(jī)電氣控制方法對(duì)實(shí)驗(yàn)選用的礦山提升機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)比兩種控制方法的控制響應(yīng)和控制輸出誤差，來(lái)綜合評(píng)價(jià)兩種電氣控制方法的性能優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，兩組礦山提升機(jī)在不同工況下的運(yùn)載負(fù)荷均相同。在MATALB 2012軟件中，處理兩組電氣控制方法在不同工況下控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析MATLAB輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出相對(duì)應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

MATLAB軟件初步處理后得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理后生成如下圖1所示的曲線。圖中橫坐標(biāo)軸為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，縱坐標(biāo)為提升機(jī)上升下降的速度控制響應(yīng)輸出。分析圖中曲線之間的關(guān)系以及變化，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

分析上圖1中的曲線可知，在礦山提升機(jī)的不同負(fù)載工況下，本文提出的電氣控制方法的控制輸出曲線時(shí)間響應(yīng)明顯快于傳統(tǒng)的電氣控制方法。改變礦山提升機(jī)的負(fù)載工況，本文提出的電氣控制方法的控制輸出曲線與理想控制輸出曲線之間的偏差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)電氣控制方法的控制輸出曲線與理想控制輸出曲線之間的偏差。從數(shù)值上分析，本文提出的控制方法的最大控制偏差僅為0.056m/s，傳統(tǒng)控制方法的最小控制偏差為0.11m/s，說(shuō)明本文提出的控制方法其控制精度更高，實(shí)際對(duì)礦山提升機(jī)的控制效果更佳，有效減少了控制資源的浪費(fèi)，具有優(yōu)越性。

由此可見(jiàn)，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)后的控制方法能夠在限定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山提升機(jī)電氣的高效控制，具有推廣價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

礦山提升機(jī)作為礦井開(kāi)采中的主要設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行有效地電氣控制是提升礦采工作效率、保證作業(yè)人員安全的重要途徑。本文針對(duì)傳統(tǒng)的電氣控制方法存在的問(wèn)題，利用單片機(jī)技術(shù)的優(yōu)越性，提出了一種基于單片機(jī)的礦山提升機(jī)電氣控制方法，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。在后期的應(yīng)用研究中，應(yīng)擴(kuò)大本文設(shè)計(jì)方法在不同類(lèi)型礦山開(kāi)采工程中的應(yīng)用力度，為提高礦山提升機(jī)的綜合性能、擴(kuò)大控制方法的應(yīng)用范圍提供參考。本文不足在于沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)的礦山提升機(jī)電氣控制方法在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)加以詳細(xì)說(shuō)明，在后續(xù)的研究中可予以深入研究。