基于變頻調(diào)速的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

付應(yīng)彬

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 原平 034114）

引言

礦井提升機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置是采礦中常用的操作機(jī)械，它們承擔(dān)升降負(fù)荷的重要工作。由于儀器較多，傳統(tǒng)起重機(jī)和電纜在控制室的交錯(cuò)操作復(fù)雜，相互干擾降低了儀器的精度，增加了駕駛員的負(fù)擔(dān)，降低了生產(chǎn)效率。同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)故障率較高、維修成本較高、維修周期較長(zhǎng)、機(jī)械設(shè)備[1]停機(jī)損失較大等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，將變頻器和PLC 相結(jié)合的提升機(jī)控制系統(tǒng)在煤礦業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。針對(duì)礦井提升機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置的控制問(wèn)題，本文主要研究礦井提升機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該控制系統(tǒng)采用了一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法。采用無(wú)線收發(fā)機(jī)芯片nRF9E5 和CAN 總線控制器芯片SJA1000，建立了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到多點(diǎn)的通信協(xié)議。建立通信網(wǎng)絡(luò)，編程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信過(guò)程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與多臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以提高提升機(jī)操作系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，減少維修工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全生產(chǎn)水平，減少事故發(fā)生。

1 礦井提升機(jī)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控與通信技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越緊密，傳統(tǒng)的控制方法已不能滿足智能控制系統(tǒng)[3]的發(fā)展要求。針對(duì)此種情況，本文采用了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組合方法。提升監(jiān)控系統(tǒng)分為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）兩部分。利用CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線，可以非常方便地構(gòu)建通信骨干網(wǎng)。CANET-E 網(wǎng)關(guān)作為接入網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的互聯(lián)。此外，CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線可以接入無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和管理，滿足現(xiàn)代企業(yè)管理的需要。

同時(shí)，CAN 總線設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互連[4]，在小范圍內(nèi)構(gòu)成無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)（主要是RFID 采集）。現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度、壓力、振動(dòng)、功率等運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)或WSN 傳輸至監(jiān)控中心。提升機(jī)智能控制系統(tǒng)處理收集的數(shù)據(jù)，完成提升機(jī)操作控制。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 提升機(jī)控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)升降過(guò)程，提升速度控制單元可分為兩種結(jié)構(gòu)[5]，如下頁(yè)圖2 所示。在圖2-1 中，當(dāng)提升機(jī)提升負(fù)荷時(shí)，控制器輸出控制量，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)油門手柄移動(dòng)相應(yīng)的行程。控制量轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)口的尺寸，從而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。最后，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)提升調(diào)速。在圖2-2 中，當(dāng)提升機(jī)完成降低操作時(shí)，控制器輸出控制量，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主制動(dòng)器的氣壓閥來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，以控制主制動(dòng)器和鼓之間的摩擦力。最后，實(shí)現(xiàn)了減速的調(diào)節(jié)。

圖2 提升速度控制單元的兩種結(jié)構(gòu)

提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，駕駛員必須始終注意設(shè)備參數(shù)，根據(jù)提升機(jī)速度，調(diào)整油門或制動(dòng)力，大大提高了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度[6]。因此，在提升機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)任務(wù)要完成。首先，監(jiān)控提升機(jī)運(yùn)行和運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便駕駛員了解設(shè)備的狀態(tài)。其次，自動(dòng)控制提升速度。駕駛員啟動(dòng)提升機(jī)后，根據(jù)負(fù)荷設(shè)置失速和工作速度，使自動(dòng)操作開(kāi)關(guān)打開(kāi)，自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。控制器的輸出通過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門和制動(dòng)手柄的行程，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)和主制動(dòng)器，以獲得更穩(wěn)定的運(yùn)行速度。自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制算法來(lái)調(diào)節(jié)油門開(kāi)啟和制動(dòng)空氣壓力，從而控制提升機(jī)的運(yùn)行速度。提升機(jī)的工作圖如圖3 所示。

圖3 提升機(jī)工作圖

2.2 速度控制單元的硬件設(shè)計(jì)

提升自動(dòng)控制系統(tǒng)采用二步電機(jī)分別調(diào)節(jié)油門手柄和制動(dòng)手柄的行程，并依靠?jī)烧叩呐浜蟻?lái)控制提升速度。速度控制單元將從控制算法計(jì)算出的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的角位移，以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開(kāi)口和制動(dòng)缸的壓力。這樣就可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)采用西安立山電子公司生產(chǎn)的四相八線電機(jī)85BYGHl04，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用西安立山電子公司制造的SH2034M 驅(qū)動(dòng)器，如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖

2.3 提升機(jī)運(yùn)行速度的控制算法

由于提升機(jī)的非線性和不確定性，采用傳統(tǒng)的線性控制方法不能得到滿意的控制效果。基于模糊理論的模糊控制或PID 控制可以提高提升機(jī)的控制性能。以提升過(guò)程為例，在提升機(jī)初始運(yùn)行階段，由于滾輪離合器主從盤之間相對(duì)滑動(dòng)，提升機(jī)扭矩不能全部傳遞到提升機(jī)。此時(shí)，對(duì)于調(diào)速、干擾和偏差較大。為了調(diào)節(jié)提升速度以快速接近給定的速度，可以采用蟻群算法來(lái)獲得最優(yōu)的速度控制。在勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，離合器工作正常，提升機(jī)扭矩通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全轉(zhuǎn)移到提升機(jī)上。此時(shí)速度變化相對(duì)穩(wěn)定，偏差不大。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)具有時(shí)變和強(qiáng)干擾特性，模糊自適應(yīng)PID 方法可以在線調(diào)整PID 參數(shù)，因此當(dāng)采用蟻群算法調(diào)整提升速度接近設(shè)定速度時(shí)，為了適應(yīng)調(diào)整速度和精度，采用模糊自適應(yīng)PID 方法在小范圍內(nèi)調(diào)整提升速度。結(jié)合模糊自適應(yīng)PID 控制的蟻群優(yōu)化控制形成復(fù)合控制算法，算法的方框圖如圖5 所示。

圖5 算法框圖

3 提升機(jī)控制系統(tǒng)的功能驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用到某煤礦提升機(jī)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，該提升機(jī)控制系統(tǒng)完美匹配提升機(jī)，具有靈活、方便的參數(shù)設(shè)置功能。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，對(duì)傳感器的靈敏度、采樣頻率、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間間隔、報(bào)警參數(shù)、報(bào)警閾值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并驗(yàn)證，采集一定的時(shí)間間隔內(nèi)振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油壓力，對(duì)采集功能進(jìn)行了驗(yàn)證。將采集到的速度與時(shí)間繪制成如圖6 所示的速度曲線圖，曲線符合理想的非對(duì)稱五段圖曲線，也驗(yàn)證了此系統(tǒng)是合理的。該控制系統(tǒng)采用了蟻群優(yōu)化控制算法和模糊自適應(yīng)PID 控制復(fù)合控制算法，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)提升機(jī)組工作狀態(tài)的智能判斷和自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)可以根據(jù)振動(dòng)、溫度、壓力等參數(shù)來(lái)確定軸承的工作狀態(tài)。一旦溢出，立即采用聲音報(bào)警、彈出式黃色警告窗口和目標(biāo)顏色指示報(bào)警三種報(bào)警方法進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)可以自動(dòng)存儲(chǔ)、查詢歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)使用時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)的組合方法。

圖6 提升機(jī)速度曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC 進(jìn)行模糊控制，可以根據(jù)外部因素調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，從而提高了PLC 的可靠性、靈活性、兼容性，并提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和自動(dòng)化程度。所提出的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。本文著重分析了礦井提升機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，介紹了智能控制系統(tǒng)的發(fā)展。本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器、提升開(kāi)關(guān)傳感器和壓力測(cè)量模塊，監(jiān)控提升機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置的狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境。因此，它可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障和安全隱患進(jìn)行早期預(yù)警，以有效地完成繁重的采礦工作。