超聲波傳感器在礦井提升機(jī)減速段的應(yīng)用

宋牛

摘 要：隨著可編程控制器（PLC） 控制技術(shù)與超聲波傳感器技術(shù)的飛躍發(fā)展，使用超聲波測(cè)距傳感器作作為數(shù)據(jù)采集的手段，以PLC 作為系統(tǒng)控制核心，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種能能夠?qū)ΦV井提升機(jī)的速度進(jìn)行恒定減速的系統(tǒng)單元，該單元有效地解決了傳統(tǒng)提升機(jī)控制系統(tǒng)的減速在單元凸輪板制作困難、故障點(diǎn)多、減速度不穩(wěn)定等方面的不足之處，從而極大優(yōu)化了提升機(jī)在減速段減速的性能。本文著重介紹該單元提升機(jī)以恒定減速的速度給定控制硬件系統(tǒng)以及控制器控制數(shù)據(jù)的算法。

關(guān)鍵詞：超聲波傳感器；礦井提升機(jī)；減速段

在煤礦企業(yè)進(jìn)行煤礦的采挖生產(chǎn)過(guò)程中，礦井提升機(jī)是其中的重要設(shè)備，提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定可靠性與安全性，直接關(guān)系到煤礦企業(yè)的采礦生產(chǎn)以及經(jīng)濟(jì)收益?，F(xiàn)在很多礦井的提升機(jī)處在爬行段與減速段時(shí)對(duì)于速度的控制能力比較差，經(jīng)常會(huì)發(fā)生在減速段提升機(jī)控制不穩(wěn)定和?？课恢貌粔蚓珳?zhǔn)等現(xiàn)象，大大增加了提升系統(tǒng)的機(jī)械沖擊力，使得系統(tǒng)的運(yùn)行壽命減少，從而很大程度上使得系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性與安全性降低了。

一、現(xiàn)有礦井提升系統(tǒng)的弊端

目前大多數(shù)實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)減速段速度的方案為通過(guò)動(dòng)桿連接深度指示器和提升機(jī)的主軸，通過(guò)安裝有凸輪板的減速圓盤(pán)然后一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)提升機(jī)到達(dá)減速段時(shí)，凸輪板就會(huì)壓動(dòng)自整角機(jī)，然后按照凸輪板的曲線(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將自整角機(jī)的輸出電壓送給電氣控制裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)方案有下面幾個(gè)缺點(diǎn)。（1）該種系統(tǒng)的提升機(jī)的減速主要是依靠凸輪板的外形進(jìn)行控制，然而這樣的凸輪板的外形都不規(guī)則，這就使得在對(duì)其的制作加工過(guò)程中工藝復(fù)雜，不容易加工。（2） 很明顯，凸輪板與自整角機(jī)要進(jìn)行物理接觸，則就使得在使用過(guò)程中容易受到外界各種因素的干擾，從而影響輸出電平的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致在減速段的運(yùn)行穩(wěn)定性，造成對(duì)提升裝置的物理沖擊，增加了額外負(fù)荷。（3）由于自整角機(jī)的額定工作電壓為110伏，因而需要單獨(dú)的電源為其進(jìn)行供電，這在某種程度上增加了外圍器件與發(fā)生故障的因素，而且其輸出的電壓范圍為交流0～50伏，需要通過(guò)將此交流電壓變?yōu)橹绷餍盘?hào)才能提供給PLC控制芯片，另外其輸出的電壓的精度度不高。

二、利用超聲波傳感器的提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述的這些缺點(diǎn)，現(xiàn)采用非接觸式測(cè)量的超聲波測(cè)距傳感器，其額定電壓小，不易受到外界因素的干擾，而且能夠輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)給PLC芯片，從而在提升機(jī)的減速段能夠保證提升機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定與控制精度，有效保證了礦井的生產(chǎn)安全。

（一）利用超聲波進(jìn)行測(cè)距的基本原理。主要是在測(cè)量距離上利用超聲波的反射原理。其反射原理如下： 由換能晶片產(chǎn)生并發(fā)射超聲波出去后，波在傳播的途中由于目標(biāo)的阻擋作用進(jìn)而產(chǎn)生反射波，然后反射波發(fā)射到換能晶片上，通過(guò)內(nèi)部傳感器等對(duì)超聲波的發(fā)射時(shí)刻與到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間進(jìn)行插值計(jì)算，就非常容易的得兩點(diǎn)之間的距離D：

D=c*（t/2）

其總，c代表空氣中的超聲波的速度；t則表示超聲波在收發(fā)兩點(diǎn)之間的時(shí)間差。

（二）減速段的提升機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用超聲波發(fā)射原理測(cè)量距離方法，現(xiàn)利用可編程邏輯控制單元、超聲波傳感器以及變頻器對(duì)減速段的提升機(jī)進(jìn)行速度控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)原理概況框圖如下所示：

如上圖所示，礦井的提升機(jī)在到達(dá)停車(chē)位置的過(guò)程中，超聲波測(cè)距傳感其會(huì)為PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)提供測(cè)量電流信號(hào)，PLC芯片將信號(hào)提取后經(jīng)過(guò)減速曲線(xiàn)算法計(jì)算出減速段的提升機(jī)應(yīng)當(dāng)具有的速度信號(hào)，從而將此信號(hào)通過(guò)相關(guān)轉(zhuǎn)換送給變頻器，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制。

（三）本系統(tǒng)中的硬件選型要求。（1）對(duì)超聲波測(cè)距傳感器的型號(hào)規(guī)格要求：選擇的超聲波測(cè)距傳感器的輸出電壓要與

PLC芯片所需的的供電電壓保持一致，并使得輸出的電流信號(hào)的強(qiáng)度為4～20mA，這樣對(duì)于傳感器獲得模擬量采集模塊和電源的反饋信號(hào)較為有利。根據(jù)如上要求，現(xiàn)選取S18U1A超聲波測(cè)距傳感器。（2）對(duì)PLC及其擴(kuò)展模塊的選型要求：根據(jù)實(shí)際需要，現(xiàn)選取西門(mén)子公司的S7-300系列的芯片，具有標(biāo)準(zhǔn)的

CPU314，內(nèi)置一個(gè)RS485接口；擴(kuò)展輸入輸出口選擇SM323，擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊需選SM331；擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用SM332。

三、提升機(jī)減速段的減速曲線(xiàn)算法分析

把超聲波測(cè)距傳感器使用為測(cè)量模塊，那么系統(tǒng)中用到的凸輪板就完全可以直接加工成三角形狀，并把此凸輪板固定在深度指示器的減速圓盤(pán)上，并把超聲波傳感器的檢測(cè)面設(shè)定為凸輪板的斜邊，再將傳感器安裝固定在凸輪斜邊右邊的支架上。如圖2所示：

為了滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定要求，以及能夠在井口處能夠安全穩(wěn)步停車(chē)，現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)中的減速曲線(xiàn)算法進(jìn)行分析。假設(shè)提升機(jī)減速度為a，提升機(jī)的額定速度為v0，減速距離為s0，則有如下公式：

當(dāng)提升機(jī)的額定速度一定的情況下，在滿(mǎn)足上述不等式以及到達(dá)預(yù)定位置時(shí)的速度不超過(guò)2m/s的條件下，可對(duì)減速度a與減速距離s0進(jìn)行修正。那么有滿(mǎn)足如下函數(shù)式：

該控制系統(tǒng)的控制模塊所需的數(shù)字量、速度以及位移之間有下面的關(guān)系：SM331的分辨率為12位，其相應(yīng)數(shù)字量為0到4096；而超聲波測(cè)距傳感器S18UIA的輸出的直流電流則為4至20mA，能夠檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)距離范圍為30到300mm。通過(guò)上面的數(shù)據(jù)就能夠把數(shù)字量與模擬量之間的關(guān)系表達(dá)出來(lái)為：

m=4096/（20～4），那么傳感器所能檢測(cè)到的距離與模擬量的關(guān)系可表示成n=（300～30）/（20～4）。如果按照檢測(cè)距最大為300 mm來(lái)加工制造凸輪板，那么凸輪板的尺寸將會(huì)有非常大，這將會(huì)對(duì)深度指示器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試試驗(yàn)，超聲波檢傳感器所能測(cè)距的最佳動(dòng)態(tài)范圍可為30 到210 mm之間。

現(xiàn)規(guī)定提升機(jī)的額定速度為2.5m/s，停車(chē)時(shí)的速度為0，減速度為0.2m/s，則可算出減速位移為15.6m；按照SM331移動(dòng)后的數(shù)字量與上述公式，有如下公式

進(jìn)而PLC算出d0=（2560/2.5）*v，將此數(shù)據(jù)量送至SM332，然后SM332輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流控制信號(hào)控制變頻器，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行有效控制。

在提升機(jī)減速段的系統(tǒng)中采用超聲波測(cè)距傳感器作為距離采集的手段，以西門(mén)子公司的PLC控制芯片為控制核心，開(kāi)發(fā)出一套能夠?qū)μ嵘龣C(jī)在減速段的速度進(jìn)行有效、穩(wěn)定的控制的單元系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)提升機(jī)控制系統(tǒng)在減速段的諸多缺陷，大大提高了提升機(jī)在減速段的性能。

參考文獻(xiàn)：

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