礦井提升機重力下放自動控制系統設計與應用研究

張志梅

（晉能控股煤業集團晉華宮礦大型設備科，山西 大同 037016）

引言

煤炭作為人們生產生活所需的重要能源之一，是工業生產和日常生活正常運行的保障，近年來對其需求量逐年增加[1-2]。礦井提升機作為煤炭生產的關鍵設備，主要任務是運輸煤炭、人員、器具等，其安全問題至關重要[3]。礦井提升機連續運行過程中，控制系統一旦出現故障，而運行維護人員又不能及時進行故障排除使其恢復正常時，提升機內的人員和貨物將會面臨被困井道中的情況，不僅無法及時到達指定的安全位置，還存在較大的安全隱患。因此，礦井提升機控制系統的工作可靠性引起人們的高度重視[4-6]?；谀趁禾科髽I服役中的礦井提升機控制系統現狀，開展重力下放自動控制系統設計與應用研究工作，對于進一步提高礦井提升機的工作可靠性具有重要意義。

1 系統控制原理與結構設計

1.1 控制原理

礦井提升機重力下放控制系統工作過程中的責任是確保提升機下放運行過程中的安全可靠，當接收到操控指令之后，在確定安全回路已掉電的情況下，控制液壓回路產生驅動力，實現貨物提升或者下放動作。自動控制系統能夠實時獲取提升系統運行時的速度信息，將其與系統設定的目標速度進行比對，計算得出速度的偏差數值，據此輸出控制糾偏指令，反饋至驅動系統進行速度調整，實現礦井提升機運行過程中速度的閉環控制和調整，確保提升系統的安全穩定運行。礦井提升機重力下放自動控制系統控制原理如圖1所示。

1.2 結構設計

圖1 控制原理示意圖

基于礦井提升機控制系統原理，完成了自動控制系統的結構設計，圖2給出了礦井提升機重力下放控制系統的結構框圖。人機交互界面設計的目的是完成提升機現場調試和操作，信息數據的傳輸采用RS485完成，實現提升機提升系統各個閥件的狀態、油壓、速度等信息的實時顯示與操控；控制電路板負責提升機運行參數的實時監測與處理，也負責在規定的控制指令下控制各種閥件與提升機的運行速度；被控對象主要是指自動控制系統中的各種閥件，通過控制被控對象的動作，包括控制提升系統速度的電液比例溢流閥、控制提升系統升降的換向閥等；傳感裝置主要是指各類傳感器件，涉及監測制動閘盤的溫度傳感器、監測主軸的速度傳感器、監測盤式制動器油壓的油壓傳感器等。

圖2 重力下放系統結構框圖

2 硬件設計

2.1 控制器確定

PLC作為工業控制領域內部使用較為廣泛的控制器，得到了各界的認可，但是PLC控制因其順序運作形式與主頻率偏低導致實時性比較差，與此同時，PLC控制器的編程形式不適應于較為復雜的控制方法。因為PLC具有上述局限性，礦井提升機重力下放系統使用高性能的嵌入式處理系統，其核心部件是微處理器，能夠實現讀取執行相關指令以及與外界交換信息等操作。相較于傳統的PLC控制器，微處理器具有強大的運算性能與較高的運行主頻，極適合礦井提升機重力下放自動控制系統的設計與應用。

2.2 微處理器選型

微處理器選型需要考慮全面，包括具備所需的內部工具、高度的靈敏性與超低的功率消耗等?；诘V井提升機重力下放自動控制系統的設計需要與控制原理，選擇ST公司開發的STM32系列中的MCU微處理器，具備性能好、性價比較高的特點，最終確定的微處理器型號為STM32F405RGT6，具有重力下放控制系統極度需要的超強數字信號處理性能。主頻率數值為168 MHz，內核型號為ARM Cortex-M4，分別配置了1 024 kB的FLASH和192 kB的RAM，內置51個通用I/O接口，同時具有2個CAN總線和2個USB通信接口，具有很好的應用性能。

2.3 嵌入式電路板

礦用提升機嵌入式電路板是其自動控制系統實現控制功能的載體，也是自動控制系統的核心組成部分。嵌入式電路板工作性能的好壞，直接關系著提升機重力下放控制系統的工作性能和控制功能的可靠性，因此，要求嵌入式電路板具有快速響應、抗干擾性強及實用性高等條件?；谏鲜鲎詣涌刂葡到y對嵌入式電路板設計的要求，完成了MCU最小系統以及其外圍電路組成的設計，如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

圖3 重力下放控制板結構

主程序作為提升機重力下放自動控制系統的重要組成部分，其工作流程如圖4所示，由圖4可以看出，當控制系統接收到啟動控制指令時，首先進行提升系統狀態檢查，確定其是否存在故障、安全回路是否掉電等；檢查完畢進行系統自檢測，確定系統運行狀態是否良好，涉及控制系統是否有故障未排除、傳感器的工作狀態是否正常以及被控對象閥的閥位是否正常等。設備與控制系統均已檢查完畢無問題之后，重力下放控制系統控制液壓站供油，若存在問題，下放系統不能正常啟動。重力下放系統啟動之后，傳感器實時采集提升機運行參數數據，經過處理分析之后確定提升機是否正常工作。控制系統采集的運行參數涉及提升機的運行速度和制動閘盤的溫度，一旦出現閘盤溫度過高，系統自動停止提升機；同時當提升機運行速度異常，當速度處于0～1.2 m/s時，系統調用速度調整程序，通過調節電液比例溢流閥的輸出量，及時調整盤式制動器的制動力矩實現調速；當速度大于1.2 m/s時，系統會立即停車，防止出現危險。

圖4 主程序控制流程

3.2 人機交互界面

圖5 人機交互主界面

人機交互界面作為礦用提升機重力下放系統的重要組成，負責實時顯示提升機運行過程中的溫度、速度等狀態參數，基于自動控制系統的硬件和軟件設計，完成了人機交互主界面的設計，如圖5所示。主要包括實時速度油壓顯示、記錄查詢和控制參數設置。屏幕左邊為液壓站監測顯示，涉及液壓閥件的狀態等，當系統運行速度過大或制動溫度過高時，主界面會給出報警提示；主頁面還包括核心數據區，實時顯示提升系統的運作速度與工作油壓；主界面下部為參數設置和記錄查詢按鈕，方便現場的技術人員對系統運行進行控制與歷史狀態查詢。

4 應用效果評價

為了驗證礦用提升機重力下放自動控制系統設計的可行性，將其應用于某煤炭企業正在使用的礦井提升機中進行試運行，跟蹤記錄運行情況。結果表明，控制系統運行穩定可靠，滿足最初的設計要求。統計結果顯示，新設計的自動控制系統，提升了礦用提升機近8%的有效利用率，減少了近5%的故障排除時間，節約了1～2名運行維護人員，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近60萬元/年，取得了很好的應用效果。