礦井提升機行程控制研究

褚新勝, 成夢玲, 司玉華

(1. 臨沂會寶嶺鐵礦有限公司 山東 臨沂 277700； 2. 江蘇科技大學 電子信息學院, 江蘇 鎮江 213000)

提升機是礦上運輸的重要設備,它也是往復運行于井上和井下的機械設備,由于這樣的工藝特點,礦上對提升機控制系統的高效性、安全性和可靠性具有較高的要求,而提升機的控制主要是對行程的控制,它是控制系統的重要環節,不僅影響提升機停車的精度,還關系到礦上的正常生產,因此研究提升機行程控制有重要意義。

行程給定就是根據提升機行程來確定速度給定信號,提升機減速段的速度給定信號如果是按時間給定的,則不管提升機運行的速度多大,它都按恒定減速度、恒定減速點進行減速,減速距離隨著提升機最大運行速度變化而變化,減速距離發生變化,爬行距離也隨之變化,提升機運行速度高,則減速距離變長,爬行距離縮短,相反的,就會減速距離縮短,爬行距離變長,影響提升周期;若提升機速度給定信號采用行程給定,減速點隨著提升機最大運行速度變化而變化,在減速到停車區間時,就可根據提升機提升容器距停車點距離確定速度給定信號,在停車區間的任何一個位置都會對應一個行程給定的速度信號,它只與提升機提升容器的位置有速距離縮短,爬行距離變長,影響提升機提升周期。提升機減速段的速度關,所以不管提升機是手動或者自動,都可按行程給定產生的速度信號減速運行,并且安全可靠,停車準確,克服了時間給定方式缺點。

我國大多數提升機行程控制采用機械式控制,很難滿足現代高效性的提升機控制系統,因此將PLC應用到提升機行程控制,按行程控制要求對系統硬件配置,設計軟件方案,滿足提升機電控系統對行程控制的要求。

1 S形速度曲線的產生

文中采用圖1的S形速度曲線[2],曲線模型如下:

圖中曲線分為四段:起動加速段(0～t3)、勻速段(t3～t4)、減速段 (t4～t7)和爬行段 (t7～t8)。

1)起動加速段公式

2)勻速段公式

其中,a1為起動加速段的最大加速度,單位為m/s2,r1為0～t1段加速度變化率,r2為t2～t3段加速度變化率,r1和r2單位為m/s3,

圖1 提升機S形速度曲線Fig. 1 S-shape speed curve of the hoist

3)減速段公式

4)爬行段公式

其中，a2為起動減速段的最大減速度,單位為m/s2,r3為t4～t5段加速度變化率,r4為t6～t7段加速度變化率,r3和r4單位為m/s3,vp為爬行的速度,一般取0.2～0.5,單位為m/s。

2 行程控制及其算法分析

提升機的行程控制,是對提升機實際行程進行 采集,根據行程-速度曲線計算出速度給定值,以控制提升機運行速度,提升機減速段的速度給定信號是按行程控制給定的[3-4],減速段速度曲線如圖2所示。

圖2 提升機減速運行段速度曲線Fig. 2 Speed curve of the slow running period of the hoist

2.1 變減速度行程控制算法

提升機變減速度行程控制是根據提升機實際運行速度最大值vm來調整減速度a2,若vm大,則調大a2,若vm小,則調小a2這樣可獲得較好的減速效果,在調整a2時,也要調整r3和r4,否則會使提升機加速度轉折點給定速度發生跳變。

2.2 變減速點行程控制算法

提升機在減速段各個區間公式分析如下:

1)提升機減速段提升容器在各段曲線公式

提升機的提升容器從減速段運行到爬行點之后,會以恒速度進入低速運行段以便停車,爬行距離sp一般取2～5 m。

2)提升機減速段行程距離值公式

提升機在減速段及爬行段,其行程距離分別是Δs5、Δs6、Δs7及sp,總的減速行程距離為sj=Δs5+Δs6+Δs7+sp,在提升機實際運行情況中,最大速度值vm是個變量,小于或者大于最大給定的速度,假若vm低于最大給定速度,減速點后移,假若vm高于最大給定速度,減速點提前,這是定減速度、變減速點的策略,改變減速點以保證爬行距離不變,提升機改變的運行參數只有Δs5、Δs6和Δs7,而減速度a2、減速度變化率r3、r4保持不變。

在勻速運行階段時,提升機能夠檢測到實際運行最大速度vm而提升機總的減速行程距離sj在減速度變化率r3、r4保持不變時,只與vm有關,因此在上述算法中可求得Δs5、Δs6和Δs7,即為實際減速點位置,這也是此行程控制算法采用的方式。

3 提升機速度信號的給定方式分析

提升機速度信號的給定包括時間給定與行程給定[5],提升機在起動加速段的速度都是運行時間的函數,并且初加速時刻提升機行程值為零,速度給定也為零,按行程給定方式會使提升機無法運行,因此在加速段采用時間方式給定速度信號就比較簡單易行,減速段速度信號采用行程給定,其分析如下:

由前面減速段公式可知,在減速段t4≤t≤t5區間:

其中,r3、r4和a2已知,vm在勻速段可測出,Δs5(t)、Δs6(t)和Δs7(t)是以實際的減速點k5、k6和k7為參考點的減速行程,通過檢測實際行程可以求得。

4 提升機行程控制系統的實現

行程控制主要是以行程為自變量,按照行程給定產生S形速度曲線的速度給定信號,實現提升機控制系統的運行。

4.1 行程控制系統硬件配置

行程控制系統采用西門子PLC S7-300,它以CPU為核心,硬件配置[6]主要有1個電源模塊PS 307,1個中央處理模塊CPU 315,1個計數模塊FM 350,1個模擬量輸入、輸出模塊SM331、SM332,3個數字量輸入、輸出模塊SM321、SM322,S7-300

圖3 行程控制信號給定框圖Fig. 3 Signals given block digaram of the travel control

PLC以位運算為主,完成邏輯運算、算術運算、定時、計數等功能。

提升機行程控制系統中,在其滾筒和天輪上都安裝軸編碼器,產生脈沖信號,行程控制系統的PLC計數模塊對軸編碼器的脈沖信號計數,得到提升機提升容器實際位置,通過行程計算得到速度給定信號,完成行程控制,控制給定如圖3所示,PLC的計數模塊FM350記錄軸編碼器的脈沖信號,SM331輸入測速發電機的模擬量信號,SM332輸出速度給定模擬量信號;SM321輸入數字量信號,將其轉換成內部信號,在SM322進行開關量速度和行程的輸出。

4.2 速度行程給定PLC控制軟件設計

系統主程序流程圖如圖4所示,主程序主要完成模塊的初始化、調試、參數的設置及調用子程序。其中高速計數及數據處理子程序流程圖如圖5所示,E1為滾筒編碼器,E2為天輪編碼器,在對編碼器數值讀取并進行處理后,得到提升機的實際距離并顯示;行程監控子程序流程圖如圖6所示,用來判斷提升容器是否到達減速點和停車點,如果達到減速點進行減速控制,如果到達停車點實現制動;速度監控子程序流程圖如圖7所示,用來將實際速度與給定速度進行比較,若超速15%則進行報警處理,否則將返回主程序。

圖4 系統主程序流程圖Fig. 4 Flow chart of the system master

圖5 高速計數 模 塊子程序流程圖Fig. 5 Flow chart of the subprogram of the high-speed counting

圖6 行程監控子程序流程圖Fig. 6 Flow chart of the subprogram of the travel monitoring

圖7 速度監控子程序流程圖Fig.7 Flow chart of the subprogram of the speed monitoring

提升機速度信號采用行程控制的方式給定,由PLC軟件實現提升機運行的S形速度曲線,提升機在起動加速段運行時,則采用時間方式給定速度,當運行到全速段時,讀取最大運行速度并暫存,此階段根據提升機提升容器的行程距離值公式,得到實際減速點的位置,當提升機由全速段運行到減速點時,并不是立即進入減速段,而是等提升機提升容器到達實際減速點才進入減速階段,在此階段利用行程給定方式給定速度信號,這樣即使較低,也可以縮短提升機運行中爬行行程和提升循環周期,提高提升機運行效率。

5 結束語

提升機的提升工藝具有特殊控制要求,因此采用PLC實現行程控制[7],生成S形速度曲線,速度信號在加速段利用時間方式給定,在減速段利用行程方式給定,使速度曲線光滑平穩,提升機行程控制系統的應用,為其安全可靠的運行與高精度控制提供了重要保障。

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