煤礦井下無極繩連續牽引車控制系統的設計研究

穆春林

（陽煤集團南莊公司， 山西 陽泉 045000）

引言

運輸設備是煤礦開采過程中必不可少的重要設備之一，運輸設備運行的穩定性直接影響著煤礦開采的質量和效率[1]。對于現代化的礦井而言，運輸設備的技術和水平能夠在很大程度上反映整個煤礦的現代化水平。當前階段，無極繩連續牽引車是煤礦運輸中比較先進的運輸設備，在實踐應用過程中表現出了明顯的優勢[2-3]。比如，使整個運輸環節變得更加簡化、運輸可靠性顯著提升、需要的工作人員數量減少并且作業強度降低等[4-5]。但是由于煤礦井下作業環境相對比較復雜，無極繩連續牽引車在實踐應用中也表現出了一些問題，比如在控制方面有待進一步提升[6]。基于此，本文針對煤礦井下無極繩連續牽引車的控制系統進行了分析和研究，以期能夠在一定程度上提升無極繩連續牽引車的控制水平。

1 無極繩連續牽引車總體概述

1.1 無極繩連續牽引車總體結構與布置

如圖1 所示為煤礦井下無極繩連續牽引車的構成及其布置情況，從圖中可以看出，煤礦井下無極繩連續牽引車由多個部分構成。各個部分通過鋼絲繩進行連接，再結合一些輔助裝置，比如控制按鈕以及操作開關等控制設備，就可以利用該裝置進行兩個方向的連續運輸。煤礦井下的一些運輸輔助裝置如人車、礦車、材料車以及平板車等，都可以與梭車進行直接相連。連接方式主要可以分為兩種，分別為硬連接和軟連接。通過無極繩連續牽引車能夠實現兩個方向上的遠距離運輸。

圖1 無極繩連續牽引車總體結構與布置

牽引絞車是無極繩連續牽引車中的重要構成部分，其作用主要在于對鋼絲繩進行固定和存儲。通過牽引絞車對鋼絲繩進行控制，進而實現物品的運輸。需要運輸的距離直接決定了需要儲備的鋼絲繩長度。因此，條件允許的情況下，應該盡可能多地儲備鋼絲繩。鋼絲繩的張緊力主要通過張緊裝置進行控制，為了保證運輸安全，鋼絲繩必須具有一定的張緊力。鋼絲繩在長時間的工作過程中，受到運輸距離長、坡度較大等因素影響，鋼絲繩彈性模量以及伸縮量等都會出現一定程度變化，這時候就可以通過張緊裝置來控制鋼絲繩的張力，確保系統安全。

1.2 無極繩連續牽引車應用中存在的缺陷

一般情況下，煤礦井下的軌道相對比較復雜，存在很多起伏變化，礦車在不平穩的軌道上運輸時必然會出現顛簸現象。一旦出現顛簸現象，礦車就會短暫地與軌道分離。在重力作用下，礦車又會與軌道接觸，在接觸過程中會與軌道產生沖擊。這種沖擊一方面對設備的穩定性造成影響，同時還會影響礦車的運行速度，進而對整個運輸系統的效率造成負面影響。當礦車的運輸速度較大時，這種現象表現得尤為明顯。現階段，無極繩連續牽引車都是將制動裝置設置在牽引絞車附近，通過對卷筒進行制動以達到對運輸設備進行制動的目的。當牽引絞車運行速度較慢時對制動控制方面的要求不是非常高。但是一旦牽引絞車運行速度較快時，為了保證無極繩連續牽引車的運行安全，就必須對自動過程進行精確控制。

2 無極繩連續牽引車控制策略

本研究中擬使用阻抗控制策略來完成無極繩連續牽引車的控制，阻抗控制又可以進一步劃分成為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制。礦車在正常運行時，礦車與軌道之間的接觸力大小能夠很好地反映礦車的運行狀態，這種控制模式通常具有更好的控制效果。基于位置的阻抗控制模式則能夠更好地對礦車的位置進行控制，但是這種模式與基于力的阻抗控制模式相比較而言精度稍微較低。綜合考慮兩種模式的控制策略，本文選擇基于力的阻抗控制策略對煤礦井下無極繩連續牽引車進行控制。

如圖2 所示為基于力的阻抗控制結構框圖，這種模式的阻抗控制策略是將阻抗控制器放置在力控制器的外面，在整個內環控制器中將力的控制作為主要控制手段。在礦車底部設置力傳感器和位置傳感器，通過這兩個傳感器可以實時獲取礦車運行過程中的位置Xr以及礦車底部與軌道的接觸力，在內環力控制器中將傳感器獲取的數據經過阻抗控制器處理后的量作為輸入量，通過內環控制器實現礦車與軌道之間力的跟蹤控制。

圖2 基于力的阻抗控制策略結構框圖

考慮到礦車在運行時始終與軌道相互接觸，因此在設計控制系統時需要將礦車與軌道兩者之間的相互影響、相互作用考慮在內。選用最經典的PID 控制器來完成相關的控制系統設計工作。礦車在運行過程中位置傳感器會實時檢測礦車的實際位置，并將其與理想的位置進行比較分析，會產生一個位置偏差ΔX，經過阻抗控制器進行處理后會產生一個力的控制量，將該參數輸入到內環PID 控制系統中從而實現無極繩連續牽引車的控制。另外，礦車底部也會安裝力傳感器對接觸力進行實時檢測，作為控制系統的反饋量。

3 無極繩連續牽引車控制系統硬件設計

3.1 控制系統基本工作原理

位于礦車底部的力傳感器會收集得到相關的力數據，采集得到的數據信息經過A/D 轉換模塊進行轉換后將結果輸入到DSP 控制器中，經過對數據的分析和處理，計算得到礦車的自身重量以及震動產生的加速力，認為這兩個力的合力就是礦車與軌道之間的接觸力。另外，利用外部的傳感器對礦車的運行速度進行測量和計算，并將礦車的運行平均速度輸入到DSP 控制器中。控制器通過接觸力計算得到礦車理想的運行速度值，并將其與真實的速度進行比較分析，進而得到一個控制量。如果需要加速，直接利用驅動電機的轉速調整實現礦車運行速度的提升控制。如果需要減速，則需要啟動制動控制。

無極繩連續牽引車在正常工作時，會對制動缸進行加壓處理，經過加壓后缸內的壓力會得到顯著提升，進而將內部的彈簧慢慢壓縮，正常運行過程中制動缸處于一種抬起的狀態。一旦控制系統判斷需要對牽引車進行制動時，系統一方面會對外界發出牽引車超速的警示信號。同時會輸出一個制動控制信號，將制動缸內的壓力卸載。壓力卸載以后制動缸內的彈簧失去外力作用，逐漸恢復伸長，會使得制動片與軌道發生接觸，達到對牽引車進行制動的目的。如圖3 所示為牽引車制動控制基本流程圖。

圖3 牽引車制動控制基本流程圖

3.2 DSP 控制器型號的選擇

對無極繩連續牽引車進行控制時牽涉到大量的算法，這對控制器性能提出了較高的要求。如果控制器性能高，則計算速度快，整個控制系統的反應時間短。保證運輸系統的安全以及穩定是進行控制的根本目的，本文在綜合考慮多方面因素的基礎上選用TMS320F2812 型號的DSP 控制器，將其作為整個控制系統的控制核心。如下頁圖4 所示為TMS320F2812型號DSP 控制器內部功能結構示意圖。

3.3 測速裝置

對牽引車的實時速度進行準確測量是實現精確控制的基礎和前提。本系統中利用霍爾傳感器對牽引車的速度進行實時準確測量。具體測量方法可以概述如下：將霍爾傳感器安裝在絞車底部，然后在絞車車輪輪輻部位粘貼磁鐵，需要說明的是磁鐵不得安裝在金屬部分。絞車在運行過程中，霍爾傳感器固定不動，位于車輪輪輻的磁鐵會隨著絞車車輪一起轉動，進而周期性地切割霍爾傳感器。通過對切割頻率進行統計能夠計算得到絞車車輪的旋轉速度。再通過相關的理論計算公式，可以得到絞車車輪表面的線速度，該速度就是鋼絲繩的運行速度。

4 結論

圖4 TMS320F2812 型號DSP 控制器內部功能結構示意圖

當前階段，無極繩連續牽引車以其顯著的優勢在煤礦中得到了顯著的應用。但是煤礦井下作業環境復雜，如何對其運行速度進行精確控制以保證運輸系統的穩定和安全非常關鍵。基于阻抗控制策略的無極繩連續牽引車的速度控制系統，可以結合實際情況對牽引車的運行速度進行精確控制，確保了牽引車運行的安全性和穩定性。