礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制研究

孟慶瑀

開(kāi)灤集團(tuán)唐山礦業(yè)分公司機(jī)電科，中國(guó)·河北 唐山 063000

1 引言

提升機(jī)屬于一種機(jī)電液一體化的產(chǎn)品，其復(fù)雜程度相對(duì)較高，系統(tǒng)相對(duì)較為龐大，而且以每個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)之間存在諸多聯(lián)系，不論發(fā)生任何細(xì)小的故障，對(duì)于煤炭開(kāi)采工作都會(huì)造成不利影響，情節(jié)嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致重大安全事故。礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用之后，可以讓事故發(fā)生的概率得到極大程度地降低。因此，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理研究，讓其在煤礦工作中可以發(fā)揮最大的效用，就目前現(xiàn)狀而言，具備十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 礦用制動(dòng)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)以及參數(shù)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源消耗量逐年攀升，煤炭屬于一種廉價(jià)、安全的能源，對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而言起到至關(guān)重要的作用。大部分煤礦在產(chǎn)能方面都是千萬(wàn)噸級(jí)，但是表層的煤礦逐漸枯竭，煤礦在開(kāi)采時(shí)的深度也在日益擴(kuò)增，因此80%以上的煤炭在開(kāi)采時(shí)，都要用到提升機(jī)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸。

目前，煤礦開(kāi)采工作中所用到的提升機(jī)制動(dòng)裝置，大部分應(yīng)用的都是液壓盤(pán)型的制動(dòng)方法，制動(dòng)力來(lái)源是由碟形的彈簧予以提供。提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)在正常工作時(shí)，主要包含4 種工作模式：

第一，提升機(jī)在維持正常穩(wěn)定工作的時(shí)候，在整個(gè)控制過(guò)程中下降環(huán)節(jié)的速度必須保持勻減速，承重相對(duì)較大時(shí)也可以讓其在下放過(guò)程中的安全、穩(wěn)定性得到保障.

第二，提升機(jī)的狀態(tài)如果是停機(jī)、停車(chē)，制動(dòng)裝置可以對(duì)于卷筒、摩擦輪進(jìn)行控制，讓其不再發(fā)生運(yùn)動(dòng).

第三，在緊急制動(dòng)模式下，提升機(jī)的閘瓦可以對(duì)于制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行快速控制。

第四，雙滾筒的提升機(jī)在制動(dòng)工作的附加模式時(shí)，可以針對(duì)鋼絲繩進(jìn)行合理更換，從而對(duì)閘瓦實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，讓游動(dòng)滾筒不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。按照煤礦行業(yè)的有關(guān)規(guī)范，制動(dòng)系統(tǒng)的安全、工作制動(dòng)在制動(dòng)方面的力矩，需要高于載荷力矩的三倍。

制動(dòng)器在進(jìn)行正常工作時(shí)，碟形彈簧會(huì)對(duì)于閘瓦進(jìn)行推動(dòng)，從而對(duì)于制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行壓緊。當(dāng)對(duì)物料進(jìn)行提升工作時(shí)，油壓會(huì)推動(dòng)活塞，從而導(dǎo)致閘瓦離開(kāi)制動(dòng)盤(pán)，制動(dòng)力矩主要是由彈簧的彈性力、液壓壓力共同來(lái)決定。

閘瓦針對(duì)制動(dòng)盤(pán)，在接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)正壓力，再通過(guò)摩擦就會(huì)將其轉(zhuǎn)變成為制動(dòng)力矩。

3 提升機(jī)的恒減速制動(dòng)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)方面的要求

為了讓制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力得到合理降低，讓制動(dòng)距離得到有效減少，恒減速制動(dòng)系統(tǒng)在提升機(jī)中已經(jīng)獲取極為廣泛的運(yùn)用。目前，中國(guó)的安全制動(dòng)系統(tǒng)主要使用電液比例的方向閥，當(dāng)做其制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，而且安全制動(dòng)以及工作制動(dòng)，二者在設(shè)計(jì)時(shí)屬于兩條獨(dú)立不同的回路，控制系統(tǒng)的回路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。液壓站中的油泵如果無(wú)法維持正常工作，可以應(yīng)用蓄能器讓制動(dòng)油壓得到合理供給。一部分恒減速制動(dòng)的液壓系統(tǒng)，在工作模式不同的情況下，會(huì)全部選擇應(yīng)用自動(dòng)控制的模式，沒(méi)有設(shè)置可以對(duì)手動(dòng)的安全制動(dòng)模式進(jìn)行人工干預(yù)，從而導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程中的安全系數(shù)極低。

現(xiàn)階段，對(duì)于恒減速制動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用中的缺點(diǎn)，對(duì)提升機(jī)的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)，在新型結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出應(yīng)用穩(wěn)定性、可靠性、安全性相對(duì)較高的電液比例溢流閥，來(lái)作為制動(dòng)系統(tǒng)在控制中的核心元件，原因是其在工作時(shí)壓力受到流量的影響相對(duì)不高，而且與輸入的控制信號(hào)在比例方面會(huì)呈現(xiàn)出線性的關(guān)系，可以對(duì)其他控制閥在壓力方面進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。與此同時(shí)，對(duì)工作模式不同的控制元件、回路進(jìn)行合理降低，讓檢修工作以及制造中的成本得到科學(xué)減少，對(duì)于供電工作的模式進(jìn)行科學(xué)改進(jìn)，構(gòu)建新型的電網(wǎng)，讓煤礦工作中的電力供應(yīng)得到安全穩(wěn)定的供應(yīng)，有效避免出現(xiàn)大規(guī)模的停電現(xiàn)象，從而導(dǎo)致停工，還需要配備相關(guān)的臨時(shí)電源以及緊急電源，從而讓制動(dòng)系統(tǒng)在正常工作時(shí)油壓的來(lái)源，油泵可以維持正常穩(wěn)定的工作，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，備用電源能夠讓控制元件的工作得到合理保障，控制系統(tǒng)當(dāng)中針對(duì)制動(dòng)模式可以添加手動(dòng)操作，在安全制動(dòng)方面設(shè)計(jì)兩極安全模式，從而讓恒減速制動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行中的安全系數(shù)以及可靠性都能得到合理提升[1]。

4 控制恒減速控制系統(tǒng)的策略

恒減速的全新控制系統(tǒng)中加設(shè)了溢流閥，不僅是以電液作為比例，而且還屬于核心部件。制動(dòng)油缸中存在的壓力，在經(jīng)過(guò)電磁換向閥之后，可以將蓄能器或者是油泵當(dāng)做動(dòng)力源進(jìn)行使用，設(shè)計(jì)出一個(gè)獨(dú)立恒減速的制動(dòng)油壓，并對(duì)回路進(jìn)行調(diào)整，最終由先導(dǎo)溢流閥、電磁換向閥對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行合理完成。提升機(jī)系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障，就要開(kāi)啟手動(dòng)模式操作，利用手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)整，從而讓換向閥可以實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。

提升機(jī)要想實(shí)現(xiàn)正常工作就需要油泵的支撐，讓恒減速制動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，恒減速制動(dòng)的流程包含：由系統(tǒng)首先發(fā)送制動(dòng)的信號(hào)，電磁閥隨之開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，存在于制動(dòng)器中的液壓缸使用先導(dǎo)式的溢流閥實(shí)現(xiàn)泄壓以及回油，閘瓦、制動(dòng)盤(pán)相互之間會(huì)發(fā)生接觸，到達(dá)預(yù)先設(shè)置的數(shù)值之后，電液比例的溢流閥就會(huì)對(duì)油泵進(jìn)行控制，從而讓恒減速制動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)回路在工作時(shí)的主體結(jié)構(gòu)，主要包含電液比例的溢流閥、電磁換向閥、液動(dòng)換向閥、電泵、油箱，并且應(yīng)用“一備一用”的方式對(duì)冗余結(jié)構(gòu)予以設(shè)計(jì)，讓安全性能得到合理提升。正常情況下，煤礦提升機(jī)工作的時(shí)候，油壓都是通過(guò)電泵所產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)回路中的閥門(mén)進(jìn)行控制，從而為制動(dòng)器的油缸提供相應(yīng)的動(dòng)力，電液比例的溢流閥針對(duì)液壓回路系統(tǒng)中的壓力可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有效的管控，從而對(duì)動(dòng)力矩進(jìn)行合理調(diào)整。

提升機(jī)如果處在安全制動(dòng)的模式中，可以按照不同的工作情況，由蓄能器、電泵對(duì)回路中的油壓進(jìn)行合理提供。電力供應(yīng)情況全部正常的時(shí)候，可以使用穩(wěn)定性較高的油泵，對(duì)于安全制動(dòng)油壓進(jìn)行合理提供，從而讓安全制動(dòng)過(guò)程得到合理完成，電泵一旦出現(xiàn)故障，電磁換向閥會(huì)重新選擇應(yīng)用蓄能器，從而讓恒減速過(guò)程中的安全制動(dòng)得到順利開(kāi)展。

在恒減速制動(dòng)系統(tǒng)中增加手動(dòng)制動(dòng)的模式，操作人員對(duì)煤礦提升機(jī)進(jìn)行具體操作時(shí)，如果出現(xiàn)系統(tǒng)失控、運(yùn)行存在問(wèn)題，需要立即切換到手動(dòng)模式并啟動(dòng)安全制動(dòng)模式[2]。

5 制動(dòng)控制系統(tǒng)中的冗余設(shè)計(jì)

對(duì)于大部分應(yīng)用于煤礦的提升機(jī)，在安全制動(dòng)應(yīng)用模式方面運(yùn)用模擬的恒減速制動(dòng)電控系統(tǒng)，對(duì)PID 制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)在壓力、速度都存在不同程度的缺陷。例如，在具體安裝時(shí)，對(duì)PID 參數(shù)在調(diào)整時(shí)難度系數(shù)相對(duì)較大，操作人員必須具備專(zhuān)業(yè)化的知識(shí)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化的培訓(xùn)，在具體運(yùn)行過(guò)程中一旦發(fā)生故障也會(huì)存在維修困難的情況。因此，對(duì)于嶄新的冗余恒減速控制系統(tǒng)需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，讓速度以及壓力可以使用閉環(huán)數(shù)字下的閉環(huán)控制模式，而且在功能方面還可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)定義，有利于調(diào)試工作的進(jìn)行。

數(shù)字閉環(huán)的恒減速控制系統(tǒng)，主要對(duì)冗余控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化構(gòu)建，其中包含數(shù)字PID、硬件冗余、軟件冗余等，可以假設(shè)一個(gè)備用的PLC，從而讓軟件冗余得到合理實(shí)現(xiàn)。在液壓系統(tǒng)中，每一個(gè)控制單元都會(huì)專(zhuān)門(mén)對(duì)應(yīng)一個(gè)控制閥門(mén)，應(yīng)用在功能方面，具備自整定且由數(shù)字控制的PID 程序塊，有利于提升操作者的操作便捷性。電控系統(tǒng)在設(shè)置時(shí)主要有兩個(gè)閉環(huán)控制，液壓伺服系統(tǒng)可以針對(duì)回路中的壓力在閉環(huán)方面實(shí)行精準(zhǔn)控制，從而讓恒減速制動(dòng)過(guò)程得到合理保障。速度閉環(huán)控制，主要是由測(cè)速裝置、卷筒、指定壓力等共同構(gòu)成，在不同的工作模式下，可以選擇相應(yīng)的工作模式對(duì)其進(jìn)行合理控制[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全新的煤礦提升機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)以往的回路進(jìn)行了科學(xué)合理的簡(jiǎn)化，使用安全性、可靠性較高的電液比例溢流閥、數(shù)字控制器，針對(duì)恒減速的制動(dòng)壓力進(jìn)行精準(zhǔn)管控，讓恒減速控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)冗余、手動(dòng)情況下的控制模式得到合理增加，針對(duì)制動(dòng)過(guò)程中的速度以及壓力，在閉環(huán)方面實(shí)行數(shù)字化的閉環(huán)控制，使用PID 模塊能夠?qū)毫Φ纫恍﹨?shù)實(shí)現(xiàn)自定義，有利于日常工作中的維護(hù)以及調(diào)試，從而讓煤炭在開(kāi)采過(guò)程中的安全性得到保障。