超聲波傳感器在礦井提升機減速段的應用

宋牛

摘 要：隨著可編程控制器（PLC） 控制技術與超聲波傳感器技術的飛躍發展，使用超聲波測距傳感器作作為數據采集的手段，以PLC 作為系統控制核心，設計并開發了一種能能夠對礦井提升機的速度進行恒定減速的系統單元，該單元有效地解決了傳統提升機控制系統的減速在單元凸輪板制作困難、故障點多、減速度不穩定等方面的不足之處，從而極大優化了提升機在減速段減速的性能。本文著重介紹該單元提升機以恒定減速的速度給定控制硬件系統以及控制器控制數據的算法。

關鍵詞：超聲波傳感器；礦井提升機；減速段

在煤礦企業進行煤礦的采挖生產過程中，礦井提升機是其中的重要設備，提升機運行時的穩定可靠性與安全性，直接關系到煤礦企業的采礦生產以及經濟收益?，F在很多礦井的提升機處在爬行段與減速段時對于速度的控制能力比較差，經常會發生在減速段提升機控制不穩定和停靠位置不夠精準等現象，大大增加了提升系統的機械沖擊力，使得系統的運行壽命減少，從而很大程度上使得系統的可靠性、穩定性與安全性降低了。

一、現有礦井提升系統的弊端

目前大多數實現礦井提升機減速段速度的方案為通過動桿連接深度指示器和提升機的主軸，通過安裝有凸輪板的減速圓盤然后一起轉動。當提升機到達減速段時，凸輪板就會壓動自整角機，然后按照凸輪板的曲線進行轉動，最終將自整角機的輸出電壓送給電氣控制裝置系統。該系統方案有下面幾個缺點。（1）該種系統的提升機的減速主要是依靠凸輪板的外形進行控制，然而這樣的凸輪板的外形都不規則，這就使得在對其的制作加工過程中工藝復雜，不容易加工。（2） 很明顯，凸輪板與自整角機要進行物理接觸，則就使得在使用過程中容易受到外界各種因素的干擾，從而影響輸出電平的穩定性，從而導致在減速段的運行穩定性，造成對提升裝置的物理沖擊，增加了額外負荷。（3）由于自整角機的額定工作電壓為110伏，因而需要單獨的電源為其進行供電，這在某種程度上增加了外圍器件與發生故障的因素，而且其輸出的電壓范圍為交流0～50伏，需要通過將此交流電壓變為直流信號才能提供給PLC控制芯片，另外其輸出的電壓的精度度不高。

二、利用超聲波傳感器的提升系統的設計方案

針對上述的這些缺點，現采用非接觸式測量的超聲波測距傳感器，其額定電壓小，不易受到外界因素的干擾，而且能夠輸出4～20mA的標準直流信號給PLC芯片，從而在提升機的減速段能夠保證提升機的運行穩定與控制精度，有效保證了礦井的生產安全。

（一）利用超聲波進行測距的基本原理。主要是在測量距離上利用超聲波的反射原理。其反射原理如下： 由換能晶片產生并發射超聲波出去后，波在傳播的途中由于目標的阻擋作用進而產生反射波，然后反射波發射到換能晶片上，通過內部傳感器等對超聲波的發射時刻與到達時刻的時間進行插值計算，就非常容易的得兩點之間的距離D：

D=c*（t/2）

其總，c代表空氣中的超聲波的速度；t則表示超聲波在收發兩點之間的時間差。

（二）減速段的提升機系統方案設計。本系統采用超聲波發射原理測量距離方法，現利用可編程邏輯控制單元、超聲波傳感器以及變頻器對減速段的提升機進行速度控制系統的相關設計，其系統原理概況框圖如下所示：

如上圖所示，礦井的提升機在到達停車位置的過程中，超聲波測距傳感其會為PLC的模數轉換模塊實時提供測量電流信號，PLC芯片將信號提取后經過減速曲線算法計算出減速段的提升機應當具有的速度信號，從而將此信號通過相關轉換送給變頻器，進而對電動機的速度進行控制。

（三）本系統中的硬件選型要求。（1）對超聲波測距傳感器的型號規格要求：選擇的超聲波測距傳感器的輸出電壓要與

PLC芯片所需的的供電電壓保持一致，并使得輸出的電流信號的強度為4～20mA，這樣對于傳感器獲得模擬量采集模塊和電源的反饋信號較為有利。根據如上要求，現選取S18U1A超聲波測距傳感器。（2）對PLC及其擴展模塊的選型要求：根據實際需要，現選取西門子公司的S7-300系列的芯片，具有標準的

CPU314，內置一個RS485接口；擴展輸入輸出口選擇SM323，擴展模數轉換模塊需選SM331；擴展模數轉換器選用SM332。

三、提升機減速段的減速曲線算法分析

把超聲波測距傳感器使用為測量模塊，那么系統中用到的凸輪板就完全可以直接加工成三角形狀，并把此凸輪板固定在深度指示器的減速圓盤上，并把超聲波傳感器的檢測面設定為凸輪板的斜邊，再將傳感器安裝固定在凸輪斜邊右邊的支架上。如圖2所示：

為了滿足《煤礦安全規程》中的相關規定要求，以及能夠在井口處能夠安全穩步停車，現對該系統中的減速曲線算法進行分析。假設提升機減速度為a，提升機的額定速度為v0，減速距離為s0，則有如下公式：

當提升機的額定速度一定的情況下，在滿足上述不等式以及到達預定位置時的速度不超過2m/s的條件下，可對減速度a與減速距離s0進行修正。那么有滿足如下函數式：

該控制系統的控制模塊所需的數字量、速度以及位移之間有下面的關系：SM331的分辨率為12位，其相應數字量為0到4096；而超聲波測距傳感器S18UIA的輸出的直流電流則為4至20mA，能夠檢測到的動態距離范圍為30到300mm。通過上面的數據就能夠把數字量與模擬量之間的關系表達出來為：

m=4096/（20～4），那么傳感器所能檢測到的距離與模擬量的關系可表示成n=（300～30）/（20～4）。如果按照檢測距最大為300 mm來加工制造凸輪板，那么凸輪板的尺寸將會有非常大，這將會對深度指示器的結構產生較大影響，通過相應的測試試驗，超聲波檢傳感器所能測距的最佳動態范圍可為30 到210 mm之間。

現規定提升機的額定速度為2.5m/s，停車時的速度為0，減速度為0.2m/s，則可算出減速位移為15.6m；按照SM331移動后的數字量與上述公式，有如下公式

進而PLC算出d0=（2560/2.5）*v，將此數據量送至SM332，然后SM332輸出標準的電流控制信號控制變頻器，從而最終實現對電機的運行速度進行有效控制。

在提升機減速段的系統中采用超聲波測距傳感器作為距離采集的手段，以西門子公司的PLC控制芯片為控制核心，開發出一套能夠對提升機在減速段的速度進行有效、穩定的控制的單元系統，能夠克服傳統提升機控制系統在減速段的諸多缺陷，大大提高了提升機在減速段的性能。

參考文獻：

[1] 李寶榮.礦井提升機PLC控制系統的研究[J] .科學之友.2011年11期

[2]何長中.礦井提升機智能信號顯示與安全控制系統[J] .甘肅科技.2011年13期