礦用無極繩絞車自動控制系統設計

李玉寧

（山西晉神能源有限公司，山西 河曲 036500）

無極繩絞車是井下利用鋼絲繩雙向牽引的連續運輸設備。普通的無極繩絞車，大都采用手柄控制模式對運輸速度進行控制。手柄控制存在精度低、監控手段匱乏、安全性低、驅動裝置所受沖擊力大等不足。為解決這一難題，設計了一種以PLC 邏輯編程單片機與PID 控制器為基礎的自動化絞車液壓驅動控制系統，增強了無極繩絞車的安全性，降低了絞車的操控難度。

1 JKY 絞車控制系統原理

井下無極繩絞車操控時，操控工人手動對絞車變量泵（ZBS-H915）的轉子偏心度進行操控，從而調節變量泵體的流量值，控制絞車運行狀態下的速度變化。液壓絞車控制系統見圖1?？刂葡到y設計屬于無反饋系統設計，所以絞車操控工人要不斷地手動操作使絞車運行速度處于正常狀態。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，僅依賴于操控者的經驗，存在不足。

圖1 JKY 絞車控制系統示意圖

2 絞車液壓自動控制系統設計

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，同時做出與控制手柄同步的響應，圖2 是絞車具體的響應流程圖。

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位于左側，而兩位四通電磁閥的運行狀態位于右側，且兩位兩通電磁閥此時處于工作狀態，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 邏輯編程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。

圖2 絞車響應流程圖

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1.5s 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 控制器和PLC 邏輯編程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，無極繩絞車停止運動。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，同時控制液壓系統制動裝置，使其制動。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 速度自動控制分析

2.2.1 轉速區間控制分割

絞車手柄受到操控時，控制系統發出信號，通過模數轉換后數據被PLC 邏輯編程單片機讀取，并對比傳感器所監測的驅動電機轉速，取差值△w。此時，控制手柄指示方向和電機的旋轉方向相同，則此時的△w絕對值除以20 r/min，得到目標轉速。先將目標轉速取整，記為i，然后將目標轉速分為（i+1）個區間轉速，將前i 個區間目標轉速的控制時長定為1s。如果△w值是正數，則在前i個區間電機轉速均增加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，結束后，此時目標轉速將和控制手柄所調整的轉速一致。

當控制手柄指示的方向和此時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

控制系統中的PLC 邏輯編程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，模擬信號傳輸至PID 控制器中，將電機轉速調整至目標轉速。通過（i+1）個區間的調速后，電機轉速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 試驗模型建立

本次采用AMEsim 軟件對設計的控制系統進行仿真模擬測試，使用AMEsim 軟件對液壓系統進行模擬控制。模擬時設置PID 參數，設定K1為60，Kp為1400，KD 為1100，設置絞車驅動電機的最大拉力值為500kg，模擬轉速設置為0 r/min～ -40 r/min和-50 r/min～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。模擬時間開始設為0 s ，數據采集間隔設置為0.01s，模擬總時間分別為6 s、24 s。

3.2 模擬結果分析

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 r/min時，絞車驅動電機轉速從-50 r/min 降至0 r/min 的響應曲線見圖4。

由圖3 可以看出，在驅動電機轉速由0 r/min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減小了0.40 r/min，在允許誤差1 r/min 范圍內。

圖3 -40～0 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4 中知，在絞車驅動電機轉速由-50 r/min變為0 r/min 的過程中，PLC 邏輯編程單片機將指示的目標轉速調整分為了3 個階段，即轉速從-50 r/min至-30 r/min、從-30r/min 至-10 r/min 和轉速從-10 r/min 至0 r/min 三部分。PID 控制器調整轉速-50 r/min至-30 r/min 階段總耗時1s，-30 r/min 至-10 r/min 階段總耗時1 s，-10 r/min 至0 r/min 階段總耗時4 s。在整個絞車驅動電機轉速調整的過程中，未發現絞車運行速度出現大幅變化，運行狀態正常。結果表明本次設計的控制系統達到了運行要求。

4 結語

基于PLC 邏輯編程單片機以及PID 控制器的無極繩絞車液壓驅動控制系統的設計，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，最后通過PID 控制器對絞車的驅動電機轉速進行控制，完成絞車運轉速度調整。本次采用AMEsim 仿真模擬平臺對設計的液壓控制系統進行了測試，結果表明，設計的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不穩定的問題。