礦井提升機恒減速電液控制系統設計應用*

武 波

(西山煤電集團有限責任公司西曲礦，山西 太原 030000)

0 引 言

隨著我國經濟的不斷發展，我國能源的消耗量也呈現增大的趨勢。煤炭資源一直是我國工業發展的重要保證，每天煤炭資源消耗量占據全部能源消耗的7成以上，所以高效開采，可持續發展一直是煤礦開采的重要目標。礦井提升機是我國礦井物料、原煤等提升的重要設備，在礦井正常生產過程中，由于提升機發生故障導致礦井生產效率降低的事件屢有發生，其工作性能直接影響著礦井開采效率[1]，在提升機的日常運行過程中，常會出現由于液壓制動系統控制精度差等引起的松繩、斷繩、過卷等事故，事故一旦發生將會造成難以估量的損失，同時由于礦井工作環境較為惡劣，設備的維修極為困難，造成機械窩工，提升礦井提升機的運行安全性及其制動系統進行設計優化十分必要[2]。

針對傳統提升機電壓液控系統存在的問題，基于恒減速電液控制系統對其進行優化設計，有效降低了提升機恒減速液控系統失效造成的安全問題。為礦井高效發展及安全運行提供了一定的保障。

1 恒減速電液控制系統設計方案

1.1 礦井提升機制動系統組成及原理

礦井提升機的制動系統是由制動閘組，液壓部分和電氣部分組成，目前國內主要的制動方式有安全制動和工作制動，工作制動是礦井提升機在完成一次提升工作后進行的停車制動，目前較為常用，安全制動是指在運行過程中，由于發生故障，避免人員、機械等造成各損害而進行的緊急制動，安全制動一般很少發生，這是保障人員及設備安全的最后環節，安全制動按照其方式可分為恒力矩一級、二級安全制動和恒減速制動三種，其中恒減速制動系統是通過內部反饋而實現的提升機制動方式，控制系統通過檢測滾筒速度來調節制動器的減速度，有效提升制動性能[3]。

1.2 恒減速液壓控制系統原理

礦井提升機的恒減速液壓控制系統是由電控柜、制動器及液壓站組合而成，其中電控柜作為控制的核心，其主要起到控制作用，通過電控柜發出的控制信號，實現控制油壓力及制動力的目的。滾筒制動信號流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，控制柜通過監控滾筒的運行信號進行及時的分析，通過分析將電信號傳輸至液壓站，此時液壓站將電信號轉化為油壓力傳遞到制動閘，制動閘根據油壓力及時控制滾筒的速度，而滾筒速度的降低及時反饋至控制柜，從而實現實時的閉合自控。

圖1 滾筒制動信號流程圖

1.3 恒減速電控系統優化設計方案

傳統的控制系統控制效果差，急啟急停極易出現松繩、斷繩、過卷等事故，對恒減速電控系統進行優化設計，在進行緊急啟動或者制動時可以更好的滿足提升機加速度控制平穩的目標。

恒減速控制系統包含電控子系統和液控系統，電控子系統是恒減速控制系統的核心，其主要負責安全制動及工作開合閘，其輔助功能為顯示、記錄、監控、報警等，電液控制系統對提升機制動進行控制，采用PLC控制器對恒減速液壓站進行控制，作為電控系統的控制器其主要負責完成一級、二級制動及恒減速制動等任務[4]。PLC系統的組成如表1所列。

表1 PLC系統的組成表

系統的控制層主要包含輸入、輸出層和管理層，恒減速安全制動是通過輸出層進行滾筒速度的監控，將數據反饋至管理層，管理層經過分析后將命令傳輸至輸出層，從而達到制動目的，電控系統構架如圖2所示。

圖2 電控系統構架圖

如圖2所示，其中輸入層負責信號及模擬量的采集，其主要由油壓傳感器、各種傳感器及編碼器組成，控制層主要負責邏輯分析，通過計算處理、協調處理、轉換處理等進行分析，通過HMI進行系統通訊，輸出層是由電磁換向閥、伺服閥等執行器件組成，而管理層采用HMI來實現人機交互，實時顯示系統中各軟件的運行情況，且能實現人工操作[5]。

系統軟件流程設計主要是:液壓啟動功能流程為在控制器接收到啟動命令后進行系統電氣檢查，對滾筒速度、油液高度等進行檢查，當發現故障后進行及時閉鎖，未發現故障后進行電磁閥歸位。工作開閘功能是在液壓啟動后對液壓站充油進行檢測，發現油路油壓不正常則閉鎖開車，系統油壓正常則進行 開閘命令，開閘后對滾筒速度進行實時監測，發現不正常及時閉鎖停車。安全制動功能是恒減速電液控制系統最核心的部門，其流程圖如圖3所示。

圖3 安全制動流程示意圖

如圖3所示，系統運行過程中，當發現安全信號出現掉電情況，此時安全制動系統會立即運行，進行安全制動，限制油泵工作，此時系統會判別提升機是否位于井內，當提升機位于井內此時執行貼閘皮指令，此時系統判別是否能夠進行恒減速制動，容許則進行恒減速制動，不容許則進行二級制動判別，可進行二級制動則進行二級制動，不行則進行一級制動，最終滾筒速度降至為0，此時完成閉鎖開車，系統一個流程結束。同時系統擁有監測診斷功能，分別通過液位控制器、壓力傳感器、速度傳感器、壓力繼電器等對系統液位、壓力、速度等進行監測。

2 仿真模擬研究

利用仿真軟件Adams對恒減速制動系統進行制動模擬研究，首先進行仿真環境的設置，利用外接結構Simulink進行仿真建立，首先給出提升機系統的主要參數，活塞的直徑和油缸的直徑分別為58.8 mm和110 mm，單個盤型制動器的最大正壓力43 kN，摩擦因素和摩擦半徑分別為0.3和620 mm。二級制動油壓為3.6 MPa，正常工作油壓為6.3 MPa。完成技術參數設定后對PID進行設置，設定數值為0.9，微分大小為0.01，積分大小為0.4，在5 s時進行恒減速制動，恒減速制動運動模擬曲線如圖4所示。

圖4 恒減速制動運動模擬曲線

如圖4可以看出，系統在5 s之前正常運行，當在第5 s時發生安全減速制動，此時提升機的運行速度從6.6 m/s降逐步降低至0，觀察減速的加速度為1.3 m/s2，當在時間來到10 s時，此時的提升機的速度減至0，可以看出當進行恒減速制動時，此時的加速度一直保持在-1.3 m/s2附近，在此范圍上下波動，同時通過觀察曲線可以看出，滾筒的速度在5 s內能夠降低至零，此時加速度的最大差值為9%，根據實際需求可知，恒減速電液控制器加速度波動小于15%，恒減速電液控制器能夠滿足正常工作要求，達到設計優化目標，同時新設計的恒減速電液控制系統在礦井1個月的使用過程中，未出現松繩、斷繩、過卷等事故，有效的降低了制動引起的事故率，達到了優化設計目的。

3 結 語

針對原有提升機制液壓制動系統制動效果差，事故率高的問題，提出了恒減速電液控制系統，給出了系統硬件及軟件的組成，對液壓啟動功能、工作開閘功能、安全制動功能流程進行介紹，同時通過建立恒減速液壓控制系統仿真模型，對恒減速電控控制設計方案可行性進行驗證，通過仿真模擬發現，滾筒的速度在5 s內能夠降低至0，且恒減速電液控制系統的加速度波動小于15%，滿足正常生產需求，新設計的恒減速電液控制裝置在使用過程中有效降低了松繩、斷繩、過卷等事故。