礦用提升機減速轉換裝置控制技術分析

＊周 慧

（晉能控股煤業集團同家梁礦 山西 037025）

1.制動系統技術指標的相關要求

《煤礦安全規程》制定了煤礦提升機的相關技術指標，可以有效保障提升機的運行更具可靠性及安全性。

（1）處于安全制動的提升機，要確保Mj靜負荷最大力矩要低于三倍的Mz制動力矩。公式如下：

其中，靜負荷的系統最大力矩用Mj表示，制動力矩用Mz表示。

（2）內置盤式制動器的提升機，其空動時間要低于0.3s。

（3）煤礦提升機計算安全制動的減速度公式如下：

其中，井巷傾角用θ表示，阻力運行系數用f表示，自然減速度用Ac表示，重力加速度用g表示。

表1的技術指標要求，是煤礦提升機設置的詳細安全制動減速度數據。

表1 煤礦提升機安全制動減速度技術要求

2.控制系統

減速轉換系統由：截止閥和單向閥以及二位二、三、四通換向閥還有電液比例溢流閥，儲能器和溢流器以及精過濾器還有壓力變送器，壓力表和制動液壓原二級系統等組成，具體見圖1。

圖1 煤礦提升機恒力矩—恒減速轉換裝置液壓系統設計

實時監測安全回路是控制系統減速轉換的主要工作，當掉電情況發生在安全回路時，幾個換向閥與電液比例控制溢流閥相互配合，閉環控制系統調整恒力矩的制動方式為恒減速。圖2是具體原理圖。

圖2 煤礦提升機減速轉換裝置控制系統工作原理

硬件系統包括四部分：管理層和控制層以及設備層，還有傳感器。（1）管理層：觸摸屏可以監測提升機的每個閥和制動系統狀態，以及實時查看盤式制動器的制動減速度還有運動位置和油壓顯示等，可以實現故障報警并記錄報警信息，除此之外，還可以設定所需參數。（2）控制層：核心是PLC，本文選用的控制器PLC型號是S7-300，可以實時處理并采集數據，調整、控制溢流閥電液比例的輸出量隨采集數據而定，還可監測提升機每時刻的運動狀態，管理層結合邏輯，完成通信。（3）設備層：是系統執行的主要部位，包括儲能器和溢流閥以及換向閥。可以將提升機的恒力矩制動方式更換為恒減速模式。（4）傳感器：系統采集物理量的單元，幫助控制層接收物理量。光電編碼器以及壓力變送器都是常用的兩種傳感器，作用分別是：監測盤閘油壓和儲能器油壓。控制系統詳細的硬件構架見圖3。

圖3 煤礦提升機減速轉換裝置控制系統硬件構架

3.設計軟件系統

初始化程序和循環中斷程序以及主程序組成了軟件系統。主程序包括：信號燈外部數據讀取子程序和快速回油子程序，數據處理和判斷故障及報警，恒減速與恒力矩相互轉換的程序。

圖4 PLC主程序控制流程圖

（1）停車點/解除二級制動點：處于當前模式時，制動距離要滿足規定，所以無法實現恒減速實時制動。

（2）位移運算、速度子程序：提升機的速度和位移是該子程序的主要工作，主要依據光電編碼器數據塊中保存的脈沖數及脈沖頻率，提升機最終完成速度及位移的設置。

（3）外部數據讀取子程序：PLC指揮子程序調用數據塊，里面保存了光電編碼器輸出的以下數據：開關量及油壓傳感器輸出的不同信號，脈沖數還有脈沖頻率。

（4）快速回油子程序：提升機是零速運行時，系統監測后會實時開啟此項子程序，迅速降低系統油壓至0，使靜力矩保持制動力矩的三分之一，以此減少溜車事故。

（5）報警及判斷故障子程序：可以檢測電磁換向閥和電液比例溢流閥以及過濾器的狀態，及時掌握故障點。

4.設計硬件系統

（1）傳輸信號系統。傳輸電信號為了減少周圍噪聲和耦合的電信號以及電源的干擾，本文針對隔離電路進行了設計。在傳輸信號時主要需用到信號隔離模塊與光電隔離模塊，其中信號隔離模塊把模擬信號經半導體變換輸入信號，利用磁感元件完成隔離，解調后轉換回以前信號；光電隔離模塊把數字量經二極管變換電信號為光信號，PLC不直接聯系控制器，由控制系統直接接收，減少了現場環境的干擾通道。

（2）設計PLC系統。設計系統的輸入信號和輸出信號，要嚴格依據系統需要的采集信號及控制設備，具體設計是：①輸入信號：兩個壓力變送器和一個高速脈沖信號（光電編碼器輸入）以及電磁換向閥的四個電源故障監控，掉電安全回路信號和監控電源信號以及停車信號和減速點信號，主備電液比例溢流閥的電源和故障輸出以及壓力輸入模擬量信號的不同監測，還有過濾器故障和二級制動解除點的信號。②輸出信號：控制電液兩個輸出模擬量信號（比例溢流閥）和四個電磁換向控制閥的動作信號，電源和故障兩個指示燈。

本文采用的通信方式是：多點接口以及工業現場總線和以太網等。PLC通信HMI靠工業以太網完成，優點是通信速率強，能達到100Mb/s的最高帶速，須另加通信模塊一個，支持協議TCP/IP，型號是CP343-1Learn，包含：接口有SEND/RECEIVE和FETCH/WRITE，設備PROFI-NETIO，帶RFC1006的TCP和不帶RFC的UDP，IP多播和交換機二端口等。設置HMI的通信模塊及接口PROFINET要依靠組態軟件。

電源模塊，PLC用的是25W低功耗的PS307-2A。

5.設計人機界面

上位機包含三個部分：工控機和工作站以及觸摸屏，具備以下功能：顯示提升機的運行情況和故障報警，提升機指示制動方式和設置控制參數等。本文采用的智能面板是TP900Comfort，可以融合控制器SI-MATIC并診斷系統。

6.結語

本文按照煤礦提升機相關的技術參數，研究了控制系統的功能，了解了工作原理，設計了新的液壓系統，將煤礦提升機加裝恒力矩與恒減速互相轉換的裝置，優化了制動系統；優化了軟件系統，主程序包括：報警和故障判斷，恒力矩與恒減速之間的相互轉換還有快速回油子程序等；重新設計了人機界面，主要功能有：設置參數和故障信息以及工作指示，切換主/備溢流閥和監視提升機的運行情況等；最后發現，PLC系統的型號選擇，要依據系統需要的采集信號及控制設備，最終制定了隔離模塊。