無極繩絞車液壓驅動控制系統的設計與模擬

靳 璞

（同煤集團忻州窯礦， 山西 大同 037000）

引言

無極繩絞車是井下利用鋼絲繩雙向牽引的連續運輸設備。適合于煤礦大傾角、多坡度、長距離、大噸位條件下工作面、采區上下山等的不轉載直達運輸，具有設備數量少、占地小、提升能力強和使用方便等優點，是礦井復雜條件下重要的輔助運輸工具[1-2]。無極繩絞車的普遍使用，減少了物料運輸的難度和用工數量，增加了運輸速度，大大提高了運輸效率[3]。普通的無極繩絞車，大都采用手柄控制模式，對絞車設備運輸速度和升降進行控制。針對手柄控制存在的精度低、監控手段匱乏、安全性低、驅動裝置所受沖擊力大等不足[4-5]，本文以煤礦普遍使用的JKY 型無極繩絞車為例，重建液壓控制系統，提高了絞車自動化水平，增強了無極繩絞車的安全性，降低了絞車的操控難度。

1 普通無極繩絞車控制系統存在的問題

在對井下無極繩絞車操控時，操控人員通過調整絞車的控制手柄來改變絞車變量泵體（ZBS-H915）的轉子偏心度，從而調節變量泵體的流量值，實現對絞車運行速度的控制。液壓絞車控制系統見圖1。在開環控制系統下沒有進行相關的反饋裝置設計，所以絞車操控人員要通過不斷的調整手柄來實現對絞車運速的準確控制。由于沒有反饋和顯示系統，所以絞車運行時的速度、平穩度和準確性無法進行精細化調節，往往依賴于操控者的經驗，存在不足。

2 絞車液壓自動控制系統的設計

2.1 自動控制原理

絞車工作狀態共有三種：絞車下放、上提和停止制動。在控制系統中，單片機可以通過控制手柄所處的狀態以及其輸入信號的大小來判斷絞車的運行狀況，同時作出與控制手柄同步的響應，圖2 是絞車具體的響應流程圖。

圖1 JKY 絞車控制系統示意圖

圖2 絞車響應流程圖

控制手柄處于上推狀態時，無極繩絞車可對相關設備和材料進行提升，上推程度越高，絞車提升速度越快，這時控制系統中的三位四通電磁閥的運行狀態是位于左側，而兩位四通電磁閥的運行狀態是位于右側，且兩位兩通電磁閥此時處于全部打開狀態，以控制絞車制動器松閘；絞車上提時，驅動電機帶動鋼絲繩正轉，帶動設備、材料提升；控制系統中的PID 控制設備和PLC 單片機通過監測手柄上推程度，與預置程序進行比較，輸出既定信號控制電機轉速，通過絞車卷筒的傳動進行速度控制。

當控制手柄處于下推狀態，可控制絞車向下運動，則上述三位四通電磁閥、兩位四通電磁閥和兩位兩通電磁閥所處的位置與絞車提升時相反，即電磁閥分別位于右側、左側和關閉狀態。經過1.5 s 的預置時間后，兩位兩通電磁閥打開，絞車液壓制動器松閘，制動停止，驅動電機開始反轉，向下運動。此時控制系統中的PID 控制設備和PLC 單片機通過監測手柄下推程度，與預置程序進行比較，輸出既定信號控制電機轉速，通過絞車卷筒的傳動進行速度控制。

當控制手柄處于未動作狀態時，無極繩絞停止運運動。此時控制設備和單片機監測到手柄位置后按照預置程序，將絞車卷筒轉速降至0，同時控制液壓制動器，使處于制動狀態。當絞車遇到緊急情況需要制動時，可手動拉起制動桿，使絞車卷筒停轉，以達到緊急制動目的。

2.2 速度自動控制的分析

2.2.1 轉速區間控制分割

絞車手柄收到操控時，控制系統中的模擬電路會發出電信號，通過模數轉換后數據被單片機所讀取，單片機將其與傳感器監測的驅動電機轉速對比，取差值△w。當控制手柄指示的方向與此時驅動電機的旋轉方向相同時，單片機將此時的△w絕對值除以20 r/min，得到的值即為目標轉速，先將目標轉速取整，記為i，然后將目標轉速切割為（i+1）個區間目標轉速，將前i個區間目標轉速的控制時長定為1 s。如果△w值是正數，則在前i個區間驅動電機轉速均增加20 r/min，并保持至第i區間結束。在第i區間結束后，此時目標轉速將和控制手柄控制的轉速一致；如果△w為負時，在前i個區間，將每個區間的驅動電機轉速減少20 r/min，并保持至第i區間結束，在第i區間結束后，此時目標轉速將和控制手柄控制的轉速一致。

當控制手柄指示的方向與此時驅動電機的旋轉方向相反時，對目標轉速的實現將分為兩個階段：第一個階段需要將目標轉速調整為0，然后對當前驅動電機的旋轉速度取差，求取△w值，然后將目標轉速區間分割；第二個階段將目標轉速調整為控制手柄指示的速度，然后與0 轉速取差求△w值，再將目標轉速區間分割。

2.2.2 PID 速度控制

在控制系統PLC 單片機對控制手柄指示的目標轉速度區間分割后，每一個速度區間內，單片機將目標轉速分割值轉化為目標轉速，并與驅動電機角速度傳感器監測的電機旋轉速度進行對比，計算旋轉速度和當前區間目標轉速之差，差值經過數模轉換后，將模擬信號值傳輸至PID 控制器中，將驅動電機旋轉速度調整至目標轉速，通過（i+1）個區間的調速后，驅動電機的旋轉速度就調整為控制手柄的指示速度，完成了對無極繩絞車運行速度的精確控制。

3 模擬試驗

3.1 試驗模型的建立

本次采用AMEsim 軟件對建立的控制系統運行效果進行分析驗證。首先利用AMEsim 軟件進行絞車液壓自動控制模擬，在模擬運行時對PID 參數賦值，設定KI為60，KP為1 400，KD為1 100，絞車驅動電機最大拉力值設為500 kg，模擬轉速輸入分為0～-40 r/min 和-50～0 r/min 等，觀測在此情況下絞車驅動電機的響應反饋和轉速控制情況。開始模擬時間設為0 s，采樣間隔設為0.01 s，模擬總時間分別為6 s、24 s。

3.2 模擬結果的分析

當控制手柄指示目標轉速設置為-40 r/min 時，絞車驅動電機的轉速從0 r/min 至-40 r/min 的響應曲線見圖3。當控制手柄指示目標轉速設置為0 時，絞車驅動電機轉速從-50 r/min 降至0 的響應曲線見圖4。

圖3 0～-40 r/min 旋轉速度響應曲線

圖4 -50～0 r/min 旋轉速度響應曲線

由圖3 可知，在驅動電機轉速由0 至-40 r/min的過程中，制動閘啟動時間延遲了1.5 s，在速度下降的整個過程中，旋轉速度未發現有較大波動，速度調整總共耗時3.6 s，絞車驅動電機的最終旋轉速率保持于-39.60 r/min，比目標值-40 r/min 小了0.40 r/min，在允許誤差1 r/min 范圍內。

由圖4 中知，在絞車驅動電機轉速由-50 r/min變為0 的過程中，PLC 單片機將指示的目標轉速調整分為了三個階段，即轉速從-50 r/min 至-30 r/min、從-30 r/min 至-10 r/min 和轉速從-10 r/min至0 部分。PID 控制器調整轉速-50 r/min 至-30 r/min 階段總耗時1 s，-30 r/min 至-10 r/min 階段總耗時1 s，-10 r/min 至0 階段總耗時4 s。在絞車驅動電機調速的整個過程中，未發現絞車運行速度出現大幅波動，運行平穩。結果表明本次設計的控制系統達到了運行要求。

4 結論

基于PLC 單片機以及PID 控制器的無極繩絞車液壓驅動控制系統，可以實現無極繩絞車的平穩運行。在對絞車控制手柄進行操控后，PLC 單片機首先對絞車運行狀態進行判斷，然后對各液壓閥進行控制，同時進行目標速度分割，最后PID 控制器對絞車驅動電機的旋轉速度進行控制，完成絞車運轉速度調整。本次采用AMEsim 軟件對設計的液壓控制系統進行了模擬驗證，結果表明，設計液壓自動控制系統可以起到絞車運轉速度平穩調節的作用。本次設計提高了無極繩絞車自動控制水平，有效解決了以往絞車速度控制依靠個人經驗的問題。