礦用無極繩絞車液壓驅動系統設計與模擬分析

牛 昊

（大同煤礦集團有限公司忻州窯礦，山西 大同 037003）

無極繩絞車具有提升能力大、占地面積小、使用方便等特點，是煤礦井下重要的運輸輔助工具，但是絞車的控制大多是采用手柄控制方式，來實現對絞車提升設備運輸速度、升降進行控制，手動控制時存在控制精度低、缺乏監控、安全性不高、驅動裝置受到的沖擊比較大等問題[1～3]。筆者根據煤礦井下常用的JKY型號液壓無極繩絞車為例，重新對液壓控制系統進行構建，以便實現提升絞車的自動化控制水平，增強礦井絞車的安全使用系數，降低井下工作人員勞動強度。

1 JKY絞車控制原理

圖1 絞車控制示意圖

在對絞車進行控制時，井下操作人員通過采空絞車控制手柄來實現對絞車變量泵體（ZBS-H915）轉子偏心度進行控制，從而控制變量泵體流量值大小，達到對絞車運行速度控制的目的[4～5]。具體的液壓絞車控制原理如圖1所示。開環控制系統中未設置相關反饋裝置，絞車操作人員需要不斷的調節手柄進行調節，從而實現對液壓絞車運行速度的控制。由于設備上未有相關反饋以及顯示裝置，因此絞車運行過程的中速度，運行的平穩程度以及準確性往往需要憑借絞車司機的經驗進行判斷[6]。

2 液壓控制系統設計

2.1 系統自動控制原理分析

絞車工作存在三種狀態：絞車下方、上體以及停止制動，設計的系統中單片機可以根據控制手柄輸入信號大小以及控制手柄處于的狀態來對絞車的運行狀態輸入情況進行判斷，并作出一定的相應，圖2是系統的具體判別流程。

圖2 絞車運行狀態判別流程

絞車在提升相關設備以及材料過程中，控制手柄處于向上推動狀態，推入量越大，運轉速度越快，此時設備中三位四通電磁閥運行狀態是處于左側，兩位兩通電磁閥運行狀態是處于右側，兩位兩通電磁閥處于完全開啟狀態，用以絞車制動的制動器處于松閘，驅動電機處于正轉狀態，帶動鋼絲繩將設備以及材料進行提升，系統中的PID控制設備以及PLC單片機共同作用來根據手柄推入大小通過控制驅動電機的轉速來對絞車卷筒轉速進行控制；當絞車下方設備或者材料時，三位四通電磁閥、兩位四通電磁閥、兩位兩通電磁閥與絞車提升狀態時的位置正好相反，分別處于右側、左側及關閉狀態。經過1.5s時間后，兩位兩通電磁閥開啟，絞車的液壓制動器處于松閘狀態，驅動電機發轉，下放設備材料，PID控制設備以及PLC單片機同樣通過控制驅動電機運轉速度來達到對絞車下放速度的控制。當絞車需要停止運行時，控制手柄處于未處于動作狀態，PID控制設備以及PLC單片機協同將絞車卷筒的運轉速度降低至0，并控制液壓制動器，使其處于開啟狀態。當絞車需要進行緊急停車時，也可以通過手動拉起設備旁的制動拉桿，來實現停止卷筒運轉目的。

2.2 速度自動調速分析

2.2.1 轉速控制分割

絞車控制手柄進行操作時，單片機中的模數轉換器對目標讀數進行讀取，并與驅動電機目前的運轉速度進行比對，差值取值為△w。當控制手柄操作需要的轉速與當前驅動電機轉速方向一致時，單片機將△w絕對值除以20r/min，取得的數值即為需要的目標轉速，將目標轉速進行取整，并記作i，并將目標轉速分割成（i+1）個階段目標運轉速度，前i個階段的目標轉速度控制時間均保持為1s。當取得的△w值為正數時，在前i個階段，每個階段驅動電機的運轉速度增加20r/min，一直持續到第i階段結束，在第i階段結束以后，目標轉速增加到控制手柄需要的轉速；當取得的△w值為負數時，在前i個階段，每個階段驅動電機的運轉速度減少20r/min，一直持續到第i階段結束，在第i階段結束以后，目標轉速增加到控制手柄需要的轉速。

當控制手柄目標轉速與當前驅動電機轉動方向正好相反時，目標轉速的控制分為兩個大的階段，第一階段是先將目標轉速變成0，然后與當前驅動電機轉速取差值，求得△w，最后再將目標轉速進行分割；第二間斷，將目標轉速變成控制手柄需要速度，然后與0轉速進行作差求得△w，最后再將目標轉速進行分割。

2.2.2 PID調速控制

系統中的PLC單片機完成對控制手柄目標轉速度分割之后，在每一個速度分割階段之內，單片機將目標轉動速度分割值轉變成目標速度，隨后通過與角速度傳感器獲得當前驅動電機的運轉速度，計算出運轉速度與當前階段目標速度之間的差值，差值信號經過數模轉換器之后的編程模擬信號傳輸到PID控制器，進而將驅動電機的運轉速度調整到目標速度，經過（i+1）個階段的速度調整之后，驅動電機的運轉速度調整至控制手柄的目標速度，完成對絞車運轉速度的精準控制。

3 模擬驗證

3.1 模型建立

為了對建立的系統運行效果進行分析，采用AMEsim軟件進行驗證。在AMEsim軟件中建立絞車液壓控制自動控制模擬，在模擬運行環境中對PID控制參數進行賦值，設定K1為50，Kp為1300，KD為1000，絞車驅動電機的最大拉力值設定為600kg，模擬輸入轉速從 0r/min～-40r/min以及從-50r/min～0r/min等情況下的絞車驅動電機的相應情況以及轉動速度的控制情況。模擬開始時間均設置為0s，采樣間隔時間均設置為0.01s，模擬仿真總時間分別為 7s、23s。

3.2 模擬結果分析

當控制手柄的目標轉速設定為-40r/min時，絞車驅動電機的運轉速度響應情況如圖3所示。當控制手柄目標轉速設定為0r/min時，絞車驅動電機的運轉速度從-50r/min的轉速到0r/min的響應曲線如圖4所示。

圖3 -40～3 0r/min調速過程轉速響應曲線

從圖4中可以看出，當驅動電機的運轉速度由0r/min變成-40r/min過程中，制動閘的開啟時間延遲1.5s，在整個速度下放期間，轉速沒有發生較大幅度的波動，系統的速度的調節總耗時在3.7s，最終的絞車驅動電機的運轉速度穩定在-39.60r/min，較目標值小0.40r/min，遠小于誤差允許值1r/min。

圖4 -50～0r/min調速過程轉速響應曲線

從圖4中可以看出，當將絞車驅動電機的運轉速度由-50 r/min調整至0 r/min的過程中，PLC單片機將目標轉速的調整劃分為3個階段，分別是轉速從-50r/min調整到-30 r/min、-30r/min調整到-10 r/min以及速度從-10 r/min調整到0 r/min。在PID控制器將轉速從-50r/min調整到-30 r/min過程中總耗時長為1s，將轉速-30r/min調整到-10 r/min時，PID控制器轉速調節耗時為1s，PID控制器將轉速從-10 r/min調整到0 r/min過程中，總耗時為4s。在對絞車驅動電機進行調速控制時，絞車的運行速度未出現較大幅度的波動，運行較為平穩。表明設計的絞車驅動控制系統是切實有效可行的。

4 總 結

設計的無極繩絞車液壓驅動控制系統同通過PLC單片機以及PID控制器來實現絞車運行速度的平穩控制，當絞車控制手柄完成操作后，PLC單片機完成對絞車運行狀態的綜合判斷，從而控制對各液壓閥進行控制，對目標速度進行分割，PID控制器通過絞車驅動電機轉速的控制完成對絞車轉速的有效調節，采用AMEsim軟件對設計的系統進行模擬驗證，結果也表明，設計的系統能夠對絞車運行速度進行平穩調節。設計的制動系統可以提高了絞車的自動化控制水平，解決了靠個人經驗對絞車速度進行控制存在的問題。