煤礦提升機恒減速制動系統的仿真分析

郭文強

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024）

引言

提升機的運行情況直接決定煤礦的產量，其主要承擔煤礦設備和人員的運輸任務。提升機在實際運行過程中，常見的故障包括有過卷、松繩、滑繩以及墜罐等，主要原因為制動系統性能不佳所導致。針對提升機制動系統可分為工作制動和安全制動[1]。其中，基于恒力矩制動系統容易對提升機設備造成沖擊，從而導致可靠性降低；而對于恒減速制動系統不僅可顯著提升制動性能，而且其與恒力矩制動系統相比更加安全，可靠性更高。本文將設計了一款提升機恒減速制動系統，并對其性能進行仿真分析。

1 提升機恒減速制動系統的設計

提升機恒減速制動系統主要分為恒減速安全切換液控分系統和電控系統。本節將分別完成上述兩個分系統的設計。

1.1 提升機恒減速安全切換液控分系統的設計

提升機制動系統的制動性能包括響應速度、響應時間和制動力等均是通過液控分系統完成。因此，合理對提升機恒減速安全切換液控分系統的設計對于保證制動系統的性能具有重要意義。液控分系統為包含機械、電氣以及液壓為一體的控制系統，其包括電控柜、液壓站、制動器等組成[2]。液控分系統的工作原理如下：當提升機鋼絲繩滾筒出現超速或者失速的情況時，液控分系統對其中的電磁閥的方向、流量等參數進行控制，并通過實時監測滾筒的轉速對電磁閥相關參數進行對應性控制，最終達到提升機滾筒速度降為零的目的。根據提升機的運行工況，制動包括有工作制動和安全制動。其中，工作制動主要實現對提升機開機和停車操作；安全制動為設備在緊急運行情況下采取的制動方式，本文將采用恒減速方式實現對提升機的安全制動功能[3]。

基于恒減速方式實現的安全制動對應的液壓制動回路如圖1 所示。

圖1 恒減速制動液壓回路

如圖1 所示，恒減速制動液壓回路包括有兩級制動回路、普通工作的制動回路以及緊急情況下的恒減速制動回路。

1.2 恒減速制動電控分系統設計

恒減速制動電控分系統與液控分系統共同組成恒減速制動系統。電控分系統主要是對整個制動系統的控制大腦，重點對盤式制動器制動力的控制，并對制動系統的運行狀態進行實時監測。

1.3 電控分系統的硬件設計

恒減速制動電控分系統主要包括有主功能和輔助功能。其中，主功能實現提升機的工作制動和安全制動；輔助功能主要是對系統中各類元器件包括電磁閥的工作狀態、滾筒轉速、液壓油油壓等參數進行監測、記錄并對故障信息進行報警[4]。

目前，PLC 控制器為工業中應用較為廣泛的控制器。針對提升機恒減速制動電控分系統也采用PLC為其核心控制器電；結合提升機的運行工況及其制動系統的使命任務，設計如圖2 所示的PLC 控制方案。

圖2 恒減速制動電控分系統PLC 控制方案

如圖2 所示，PLC 控制器對提升機制動系統配套的壓力繼電器、壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器采集的參數進行分析，根據分析結果得出對應的控制指令對制動系統電機、電磁換向閥以及比例溢流閥、伺服閥的工作狀態進行控制，從而達到恒減速制動的目的。

2 提升機恒減速自適應控制及仿真分析

實現對提升機恒減速制動系統的快速響應、高精度的控制功能，除了為其配套高性能的元器件外，還需先進的控制策略對元器件控制才能保證最終的控制效果。因此，在上述液控和電控分系統設計的基礎上，本節重點對控制策略進行設計，并對最終的控制效果進行仿真分析。

2.1 提升機恒減速制動控制策略的設計

目前，針對類似于提升機恒減速制動系統的相對復雜的控制系統，一般采用PID 控制器對其進行控制。但是，PID 控制器的比例、積分、微分三個環節的系數為設定好的，并不能夠根據提升機的運行工況和不同的制動要求對系數進行重新設定[5]。為此，本文將RBF 神經網絡和PID 控制器相結合實現對提升機恒減速制動系統的控制。

基于RBF 網絡對PID 控制器系數校正的控制結構框圖如圖3 所示。

圖3 基于RBF 網絡對PID 控制器系數整定

2.2 制動效果仿真分析

提升機恒減速制動控制系統屬于結構復雜的機電液控制系統，本小節將通過數值模擬手段對基于RBF 網絡的PID 控制器對恒減速制動控制系統的控制效果進行仿真分析。

2.2.1 仿真模型的建立

首先，根據提升機恒減速制動系統的液壓和電控分系統建立仿真模型，并將模型中的參數根據提升機的對應參數進行設置。所建立的恒減速制動系統的液壓仿真模型如圖4 所示。

圖4 恒減速制動系統液壓仿真模型

2.2.2 仿真結果分析

基于RBF 網絡對PID 控制器積分、微分和比例三個環節的系數進行整定。整定結果如下：比例環節系數為0.9，積分環節系數為0.4，微分環節系數為0.01。本次仿真條件如下：仿真時間為12 s，在5 s 時刻開始進行恒減速制動，仿真結果如圖5 所示。

圖5 恒減速制動效果

由圖5 可看出，在5 s 時刻開始恒減速制動時，提升機鋼絲繩速度從6.6 m/s 開始下降，對應的減速度約為1.3 m/s2；當在10 s 時鋼絲繩的速度降為0。從整體上講，鋼絲繩速度能夠按照預定速度曲線完成制動，而且相對誤差最大僅為9%，滿足理論與實際速度差小于15%的要求。

3 結語

提升機為煤礦生產的運輸系統，其主要承擔設備和人員的運輸任務。為滿足提升機在各類工況下均可以完成安全、及時、穩定制動的功能，本文基于PLC控制器設計了恒減速制動系統。同時，基于RBF 網絡對恒減速制動系統的PID 控制器中三個環節參數進行整定，保證其能夠適應各個工況下的制動要求。經仿真分析可知：所設計的提升機恒減速制動系統可按照預定曲線完成制動功能，而且理論速度和實際速度的誤差控制在9%以內，滿足小于15%的要求。