軟硬件冗余礦井提升機恒減速制動系統研制

黃家海　郭曉霞　權　龍　趙瑞峰　黎文勇　麻慧君

1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，太原,0300242.山西新富升機器制造有限公司,太原,030013　　3.德國ITI有限公司,德累斯頓,01067

軟硬件冗余礦井提升機恒減速制動系統研制

黃家海1郭曉霞1權龍1趙瑞峰2黎文勇3麻慧君1

1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，太原,0300242.山西新富升機器制造有限公司,太原,0300133.德國ITI有限公司,德累斯頓,01067

摘要：安全制動系統是提升設備的最后一道安全保障措施，其對提升機運行的安全性和可靠性具有重要意義。針對目前恒減速制動系統存在的不足之處，提出了一種基于軟硬件冗余的恒減速制動系統改進方案。為了提高系統安全性和可靠性，在回路中采用了冗余熱備用方法，使備用回路能夠實時同步地替換故障回路。空載實驗結果表明：該方案是可行的；由于受非線性、時變和延遲等因素影響，制動初期速度誤差略大于制動末期誤差。

關鍵詞：恒減速制動；軟硬件冗余；速度控制；礦井提升機

0引言

礦井提升裝備承擔著物料、人員和設備的提升、下放等重任，素有礦山“咽喉”之稱[1]。安全制動系統是其最后一道安全保障系統，當遇到突發情況時，其能夠避免重大事故發生并阻止事故進一步擴大。因此，一旦安全制動系統工作異常或未能實現有效制動，就會導致機毀人亡的重大事故[2-4]。

早期安全制動系統基本采用恒力矩制動(二級制動)，其存在以下不足：①由于提升載荷方向和大小經常發生變化，容易導致安全制動速度波動范圍大；②對于摩擦式提升裝備而言，若提升載荷較大且提升高度較小，安全制動時容易發生鋼絲繩打滑事故。基于以上原因，恒減速制動得到應用。國外恒減速制動系統生產廠家主要有ABB[5-6]、SIEMAG[5]等；國內只有少數企業能夠在吸收消化國外技術基礎上，生產類似產品。

研究人員對現有恒減速制動系統已開展較多研究，文獻[6]利用比例溢流閥控制制動壓力，并將神經元PID算法應用到控制器中。文獻[7-9]研究了控制算法對恒減速制動系統性能的影響，控制對象同樣是比例溢流閥。麻慧君[10]設計了全數字式恒減速制動PLC系統。Alec等[11]將分布式人工技術應用到纏繞式提升裝備制動系統中。Wang等[12]利用LabView軟件搭建了恒減速制動裝置數據采集系統。

現有系統存在以下不足：①采用模擬信號控制，導致主備回路無法實時同步切換；②僅在關鍵部位采用冗余，一旦失效，系統啟動恒力矩制動，導致制動沖擊增大。

針對以上不足，提出了一種基于軟硬件冗余的恒減速制動方案，該方案中所采用的冗余軟硬件熱備用方法可實現備用回路實時同步地替換故障回路，從而提高了系統的安全性和可靠性。

1軟硬件冗余恒減速制動系統結構

系統結構如圖1所示，電氣控制部分采用雙機熱備方案，實現軟件冗余；液壓控制包括3條相互獨立的恒減速制動子回路，如圖2所示，每條支路均包括獨立控制器、伺服比例閥和蓄能器等，3條支路采用動態安全冗余方案，只需其中任意2條子回路正常，系統便可正常運行，實現軟硬件冗余；控制信號和卷筒轉速反饋信號也同時施加給3條支路。

圖1　軟硬件冗余的恒減速制動系統結構圖

圖2　兩用一備恒減速制動簡化原理

在圖2所示液壓系統中，系統中每個硬件均采取冗余備用方案。液壓動力源由定量齒輪泵和伺服電機組成，同時向3個蓄能器供油。恒減速制動回路主要包括伺服比例閥(圖中EH1、EH2和EH3)、備用回路切換閥組和制動器。通過控制伺服閥輸入信號，即可實現制動器壓力控制；備用回路切換閥組用于將備用回路接入到系統中，同時將故障回路切除；液壓控制子系統冗余切換服從電氣控制子系統調度和決策。

系統中還保留了一級制動回路，當提升罐籠(或箕斗)距離井口或井底距離非常短時(如小于10m)，電磁鐵S5、S6、S7和S8同時斷電。

2提升系統建模

圖3說明了摩擦式提升裝備安全制動的兩種工況，即提升過程制動和下放過程制動，受到運行方向影響，兩種工況下減速度值也不一樣。

(a)提升過程制動(b)下放過程制動圖3　提升機安全制動過程示意簡圖

上升階段制動時，存在以下關系:

(1)

式中，Tz為制動力矩；TL為外負載、摩擦力等產生的力矩；J為總轉動慣量；ω為卷筒角速度；t為時間。

下降階段制動，存在以下關系：

(2)

Tz=fFzRn

(3)

式中，f為摩擦因數；Fz為制動器正壓力；R為制動器距卷筒中心距離；n為制動器數量。

由圖4可知，式(3)中Fz與制動壓力pc、碟簧剛度k和預壓縮量Δx0相關；假設k為常數，則當pc=0時，由于存在Δx0(圖4a)，則:

Fz=kΔx0

(4)

圖4　盤形制動器正壓力Fz計算簡圖

當提升機正常提升或下放時(圖4b)，制動壓力為最大值pmax，此時Fz=0；當處于恒減速制動時(圖4c)，有：

(5)

Fz=kΔx0-pcA

(6)

由式(1)～式(3)和式(6)可得制動速度的表達式為

(7)

由式(7)可知，pc對制動速度有重要影響，若不考慮非線性、外負載時變(鋼絲繩長度變化)和摩擦力矩等影響，只需控制pc即可實現制動速度的精確控制；但由于實際工況中存在諸多干擾因素，因此系統中通常還需采用速度閉環控制。

利用SimulationX建立圖5所示的仿真模型，由于冗余回路結構相同，所以仿真模型中僅對其中一條進行仿真。在仿真模型中，將液壓動力源和蓄能器簡化成恒壓源；用單向閥將比例閥其中一個油口堵住；利用力矩模塊分別模擬外負載力矩和加載力矩。其他參數如下：卷筒直徑D=4 m，制動壓Fmax=100 kN，閘瓦摩擦因數f=0.4，最大工作油壓pmax=12 MPa，活塞有效面積A=95 cm2。

圖5　速度、壓力閉環聯合仿真模型

3實驗與仿真結果分析

受實際生產條件和煤礦安全認證等因素限制，樣機只能首先在生產車間中進行空載測試實驗。制動壓力pc測試結果如圖6所示，給比例閥施加方波信號，使pc首先由6MPa增大到9MPa，保持約2.5s后，再減小到6MPa。由圖6可知，在壓力上升階段，pc上升時間約為55ms，峰值時間約為110ms，最大超調量約為2.8%；在壓力下降階段，pc下降時間約為50ms，峰值時間約為80ms，最大超調量約為12.9%。測試結果表明該系統樣機具有良好的動態特性。

圖6　制動壓力實測曲線

圖7所示為空載工況下實測值與仿真結果對比。由圖7可看出，實驗結果與仿真結果變化趨勢一致，從而證明仿真結果具有一定精度，兩者之間存在的誤差主要與仿真模型中摩擦力矩、轉動慣量等參數與實際參數不完全一致有關。

圖7　加速度a=1.5 m/s2、v=3.7 m/s時仿真結果和實驗結果對比

圖8說明了外載質量對制動速度影響，由該圖可知，當其他參數不變時，該系統依然能正常工作；但隨外載質量增大，制動初期速度誤差隨之發生改變，總體趨勢是誤差隨著外載質量增大而增大。由圖9可知,當制動初速度v0達到16m/s，外載質量為40t時，制動速度與制動時間依然成線性關系。在圖10中，當制動減速度達到4m/s2時，系統依然能夠有效制動，此外隨著減速度增大，制動時間將隨之縮短。

圖8　外載質量對制動速度的影響(v0=3.7 m/s,a=1.5 m/s2)

圖9　初速度對制動速度的影響(m=40 t,a=2 m/s2)

圖10　減速度對制動速度的影響(m=40 t)

4結論

本文針對目前恒減速制動系統存在的不足之處，提出了改進方案，在對其進行理論分析的基礎上，研制了樣機，在生產車間內對該樣機進行空載實測，結果表明文中所提方案是可行的，系統在空載條件下能夠正常工作；由于制動器空動行程，導致制動初期速度誤差大于制動末期誤差，若能進一步提高制動器控制壓力動態響應速度，以及優化速度閉環PID控制器參數，則可有望減小制動初期速度誤差；當控制系統其他參數不變時，制動速度誤差隨著外載荷增大而增大。

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(編輯袁興玲)

DevelopmentofMineHoistConstant-decelerationEmergencyBrakingSystemwithSoftwareandHardwareRedundantDesign

HuangJiahai1GuoXiaoxia1QuanLong1ZhaoRuifeng2LiWenyong3MaHuijun1

1.KeyLaboratoryofAdvanceTransducersandIntelligentControlSystem,MinistryofEducation,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,0300242.ShanxiXinfushengMachineManufacturingCo.,Ltd.，Taiyuan0300133.ITIGmbH,Dresden,Germany,01067

Abstract:Constant-deceleration emergency braking system was considered as the ultimate security measure of a mine hoist. It was of great significance for safety and reliability of the mine hoists. Aiming at the shortcomings of the present constant-deceleration emergency braking system, a constant-deceleration emergency braking system was presented herein based on software and hardware redundant design. In this system, the faulty circuit was replaced synchronously in real-time by the spare one because the hot spare was adopted in the redundant design. The numerical and experimental results under unloade show that the scheme is feasible. They also show that the speed tracking error at the early stages is higher than that at the last stages because of the nonlinearity, time-varying and delay.

Key words:constant-deceleration emergency brake; software and hardware redundancy; speed control; mine hoist

收稿日期：2015-05-04

基金項目：山西省煤基重點科技攻關項目(MJ2014-11)；山西省國際科技合作項目(2015081017)

中圖分類號：TD5

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.009

作者簡介：黃家海，男，1979年生。太原理工大學機械電子工程研究所副教授、博士。主要研究方向為液壓元件、電液比例控制系統。郭曉霞，女，1990年生。太原理工大學機械電子工程研究所碩士研究生。權龍，男，1959年生。太原理工大學機械電子工程研究所教授、博士研究生導師。趙瑞峰，男，1965年生。山西新富升機器制造有限公司副總工程師。黎文勇，男，1972年生。德國ITI有限公司工程師。麻慧君，男，1983年生。太原理工大學機械電子工程研究所碩士研究生。