制動控制系統在礦用提升機中的應用研究

李世東

（山西省壽陽縣解愁鄉榮家溝麥捷煤業有限公司 ，山西 壽陽 045400）

0 引 言

隨著國家技術水平的不斷提升，礦用提升機作為煤礦開采中的重要設備，憑借其高工作效率、操作方便等優勢，在煤礦中得到了廣泛應用，而提升機制動控制系統的性能好壞，直接影響著提升機的工作效率及運行安全性。目前，大多煤礦中的提升機主要采用PLC進行控制，雖能準確可靠的對提升機制動過程進行有效控制，但針對提升機運行復雜、超負荷作業等工作狀態，現有的控制系統已無法較好的滿足。開展高性能、高可靠性、功能更加齊全的提升機制動控制系統，已成為當下煤礦領域重點發展的方向。

因此，通過對現有提升機制動控制系統研究現狀進行分析，找到了其存在的主要問題，以此為基礎，從硬件系統及軟件系統方面，建立了一套響應速度快、運行穩定的礦用提升機制動控制系統；并通過試驗測試的方法，對該系統進行了試驗測試，驗證了該系統的運行穩定性和可行性。該研究對提高礦用提升機的制動控制效率和制動安全性具有重要意義。

1 提升機制動控制系統存在問題

結合工程實際，提升機提升速度過小會較難制止事故的發生，而提升速度過大則會對設備的運載能力及人員安全造成較大影響。因此，根據《煤礦安全規程》規定，提升機上升速度應小于等于5m/s2，下降速度應大于等于1.5m/s2。針對此工作要求，國內外諸多學者通過研究，設計了一套減速制動系統，主要通過檢測提升過程中運行速度，換算成對應的加速度值，根據一定的控制算法對制動油壓進行調整控制，以實現對提升機升降速度的控制。同時，在提升機減速過程中，設置了一定的緩沖區域，有效改善了提升機對運載設備及人員的沖擊影響。

但針對現有市場上的提升機制動控制系統，存在如下問題：

1）現有的控制系統基本采用了PLC進行控制，能實現提升機運動過程中的數據采集、運動狀態監控及制動控制等命令，但普遍存在控制精度較低、響應速度慢等問題，針對復雜工況，無法及時的進行控制響應；

2）現有的控制系統中大多采用PID算法，但其計算精度及響應速度無法滿足復雜工況的使用需求，雖部分學者對控制算法進行了優化改進，但其運行穩定性仍相對較差，減速制動控制精度較低；

3）現有的控制系統在運行過程中經常出現檢測設備精度不夠、硬件系統運行故障、軟件系統無法正常運行等現象，整體存在運行故障率相對較高、維修周期相對較長等問題，導致了提升機經常因控制系統的故障問題而無法正常工作，嚴重影響著煤礦的生產效率。

因此，加強對提升機制動控制系統的性能提升，對提高煤礦的生產效率及企業的經濟效益至關重要。

2 提升機新型制動控制系統設計

2.1 硬件系統總體設計

硬件系統是減速制動控制系統的重要系統之一，該系統主要由CPU、核心主板、外圍電路基板、各類傳感器、保護電路、外圍電路基板、功能電路、各類接口等組成，其結構簡圖如圖1所示。其中，CPU是硬件系統的核心，前端傳感器檢測的相關信號，經通訊線進行數據傳輸后，進入CPU中，由CPU對整個信號進行分析、判斷、處理，并向執行機構及顯示設備及時發出相應的控制顯示信息，以此來實現提升機的制動控制功能。因此，在CPU設計中，主要采用了STM32系列的微處理，其主核可達70MHz，額定工作電流為36mA，并設置了多種類型的通訊接口，具有能耗低、接口豐富、計算控制響應速度快等特點。同時，在保護電路設計中，利用工業級的隔離技術，分別采取過保護和反保護相結合的保護措施進行聯合保護，并在保護線路中設計了1A的可自動恢復的過流保險絲設計，當電路出現過流或短路故障時，保險絲會自動斷開，以此來保護電路，當過流故障得到有效排除后，保險絲則會自動恢復閉合。另外，在硬件系統設計中，針對提升機的運行速度控制，主要采用了速度編碼器進行控制，首先將其安裝在被測對象的旋轉軸上，通過采集提升機的運行速度，并將其轉換減速度偏差值，再將信號發送至CPU進行計算，以此來實現對提升機的閉環制動控制；針對提升機制動過程中液壓系統，采用了MB330型油壓傳感器，通過檢測提升機液壓系統中的壓力值，將其轉換為對應的電信號，并傳輸至CPU中，以此實現對提升機升降中液壓系統的控制。

圖1 提升機制動控制系統硬件系統結構簡圖

2.2 統軟件總體設計

2.2.1 軟件系統總體方案設計

軟件系統是控制系統中的神經，其在實際使用過程中，需具備數據采集、數據處理及轉換、控制命令發出、故障報警提示、數據通訊、人機界面顯示等功能，其功能簡圖如圖2所示。因此，對軟件系統進行了總體方案設計。該方案中，軟件系統主要包括信號采集功能、溢流閥控制功能、故障診斷檢測功能、人機交互顯示功能、減速控制算法功能等，而在各個功能下端，又分別設計了多種方式來實現相關功能。在該系統中，采用了μC/OS-II實時操作系統，可兼容不同功能類型的模塊，即用戶根據自己的需要，可快速在該操作系統中添加、修改或減小相關功能，并通過該操作系統，對多種功能進行并行處理，提高了控制系統的處理速度和運行可靠性。

圖2 軟件系統總體方案框架圖

2.2.2 主界面設計

圖3 控制系統主界面

同時，對控制系統的主界面進行了設計，其顯示界面如圖3所示。該界面中可對提升機的速度進行實時曲線顯示，并將實際速度與設置的理論速度進行對比顯示；同時，可將提升機運行過程中各階段的制動信號、開車信號、停車信號、故障信號等在該界面中進行顯示；另外，也設計了故障數據和歷史數據查看功能，可針對提升機運行過程中產生的故障數據及所有運行數據進行實時查看，為后期全面掌握提升機全過程的運行情況提供了有力的數據支撐。

3 制動控制系統試驗驗證

3.1 測試平臺搭建

結合前文對提升機制動控制系統的設計方案，在將其應用到煤礦中提升機前，需對其運行功能及可靠性能進行進一步測試驗證。因此，借助于某公司之間的項目合作平臺，通過搭建試驗測試平臺的方法，對該系統進行了試驗測試研究。該試驗平臺主要包括提升機測試平臺、編碼器、各類傳感器及控制電路等，其測試平臺現場圖如圖4所示。

圖4 制動控制系統測試平臺

3.2 測試結果分析

根據搭建了試驗平臺，對提升機制動控制系統進行了為期48h的連續試驗測試，測試結果表明：在整個測試過程中，該系統各項功能運行正常，速度響應較快，能將各類傳感器檢測的相關數據進行準確計算處理，并及時向液壓制動機構和人機顯示界面發出相應的控制和顯示信號，且液壓制動機構接到相關控制命令后，能準確的對提升機的升降速度進行準確控制和平穩過渡，在顯示界面上，能繪制出提升機的整個過程的數據曲線；同時，對電路進行了故障模式設置，該控制系統針對提升機運行過程中的故障問題，能在顯示界面上進行實時顯示，并繪制成相關曲線，而電路中的保護電路能針對故障問題執行延時或及時斷路操作。整個測試過程中，操作人員只需對該系統進行簡單操作，即可掌握提升機的整個運動過程。由此，驗證了該提升機制動控制系統具有較高的運行穩定性和可靠性，能滿足《煤礦安全規程》中對提升機控制系統的性能要求，可進一步在礦用提升機中進行了推廣應用。

4 總 結

1）通過對煤礦提升機制動控制系統現有情況的分析，找到了其使用中存在的主要問題，為后期開展制動控制系統設計研究提供了改進參考；

2）以現有制動控制系統為基礎，從硬件系統及軟件系統方面，對制動控制系統進行了設計研究，建立了一套響應速度快、運行穩定的礦用提升機制動控制系統；

3）通過搭建測試平臺，對所建立的制動控制系統進行了試驗測試，測試結果表明：所建立的控制系統運行穩定，能準確的對提升機運行速度進行控制，針對提升機運行中出現的故障問題，能發出響應的故障報警提示，驗證了該系統的可行性；

4）該研究對提高提升機的制動控制效果和運行安全性具有重要作用，可為后期開展制動控制系統的改進研究提供指導。