礦井提升機天輪車槽裝置的控制系統(tǒng)設計

(1.安徽理工大學電氣與信息工程學院　安徽　淮南　232001) (2.安徽理工大學機械工程學院　安徽　淮南　232001)

一、引言

天輪在長期運行中其繩槽與鋼絲繩不斷磨損，致使繩槽形狀、深度等發(fā)生改變，出現(xiàn)較大底徑偏差，加劇了鋼絲繩的磨損情況[1-2]。此外，在更換新繩后，由于新鋼絲繩直徑大于舊繩槽直徑而產(chǎn)生相互劇烈磨損情況，新繩壽命急劇降低。因此在更換新繩及天輪繩槽發(fā)生較大位移、變形等不利情況時，需及時對天輪繩槽進行車削修圓，提高鋼絲繩使用壽命[3-4]。

由于危險系數(shù)過高，目前國內(nèi)外極少在高空井架上對天輪繩槽進行在線車削。通常采用的辦法是動用大型起吊機將天輪吊到地面進行更換襯塊或繩槽車削，代價大，耗時長，且嚴重影響生產(chǎn)。為此，本文設計了一種礦井天輪繩槽車削裝置的在線控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)使操作人員可以直接對天輪繩槽進行高空現(xiàn)場在線車削，提高了加工質(zhì)量和工作效率，降低加工成本。

二、控制系統(tǒng)的架構(gòu)

觸摸屏和PLC的組合使用作為機械控制技術的一種重要形式，廣泛應用于生產(chǎn)線和各種自動化設備中。本文采用觸摸屏和PLC相結(jié)合的控制方式，設計一套小型控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以PLC作為下位機，觸摸屏作為人機界面的上位機，并在定位、驅(qū)動及車削半徑值校核方面分別通過以下三點實現(xiàn)：①采用霍爾元件對橫、縱向的進給對刀情況進行定位控制；②采用橫、縱方向步進電機控制驅(qū)動進給；③采用編碼器測量天輪線速度和角速度，再通過PLC計算出天輪實時半徑?？刂葡到y(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)組成圖

三、控制系統(tǒng)設計

(一)運行過程設計

天輪繩槽車削裝置的運行控制系統(tǒng)采用橫、縱向的兩臺步進電機控制刀具進給運行，橫向在下、縱向在上，運行結(jié)構(gòu)如圖2所示。開始時，控制橫向步進電機運轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，橫向移動刀頭到橫向霍爾位置開關標定的天輪繩槽位置。鎖住橫向步進電機的運轉(zhuǎn)，啟動縱向步進電機，快速進給至繩槽前方約5mm的準備加工處，即縱向霍爾開關位置。然后進行粗、精加工的慢速進給車削加工階段。待該繩槽的一系列車削加工完成后，縱向步進電機反轉(zhuǎn)使刀具退回至縱向定位原點位置。啟動橫向步進電機，找尋下一個天輪繩槽橫向加工位置，如此對刀進給加工，直至天輪繩槽車削完成。

圖2　天輪繩槽車削裝置運動結(jié)構(gòu)示意圖

(二)硬件設計

1.PLC選型

天輪繩槽車削控制系統(tǒng)中，PLC要和觸摸屏協(xié)同工作，需要用到的輸入輸出量包括電機啟動開關輸入輸出、正反轉(zhuǎn)控制輸入輸出、加減速控制輸入輸出、霍爾位置開關輸入、編碼器輸入、步進電機的頻率輸出等。輸入控制點數(shù)15個左右，輸出控制點數(shù)約8個，沒有現(xiàn)場總線控制要求，因此選擇小型的PLC作為主控制系統(tǒng)即可基本滿足現(xiàn)場控制要求。FX1N-40MT可提供輸入點有25個，輸出點17個，并且在通用性、可靠性等方面，都可滿足天輪繩槽在線車削裝置所需的控制要求。

2.觸摸屏選型

在天輪繩槽車削成型的控制過程中，需要人機交互設備實現(xiàn)人與設備之間的信息交換。北京昆侖通泰TPC7062TX觸摸屏是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏，可以很好地滿足本文中控制系統(tǒng)所需控制顯示的要求，能夠用圖標及曲線圖等方式形象的展現(xiàn)工作現(xiàn)場的運行過程，變量參數(shù)的值等。因此，天輪繩槽車削控制系統(tǒng)選用和三菱FX1N系列PLC具有良好兼容性的觸摸屏TPC7062TX作為控制系統(tǒng)的人機交互界面。

(三)軟件設計

1.PLC程序設計

PLC的程序設計思路：設一個主程序，兩個子程序，主程序通過子程序調(diào)用指令call、子程序返回指令sret、子程序建立指令p0-p1等，實現(xiàn)調(diào)用手動和自動兩個子程序的功能，其控制程序的流程如圖3所示。

手動控制方式通過PLC控制步進電機驅(qū)動器，設置各種輸入開關量、數(shù)字量等控制電機運行狀態(tài)，如前進，后退，加速，減速，急停等，進而控制車削裝置運行，為后續(xù)連接觸摸屏，再由人工操作觸摸屏界面對車削裝置進行操作做準備。自動控制方式包括以下幾個部分：①先布置霍爾位置開關共6個，分別為X向(即橫向)四個，Y向(即縱向)2個，布置的X向霍爾定位原點從左到右分別為第一至第四原點，Y向從后至前位置分別為原點及準備加工點。②使用2個編碼器，一個編碼器測出天輪角速度，另一個編碼器分別測出四個天輪的線速度，通過函數(shù)得出天輪的實時半徑曲線，并在觸摸屏上讀出四個天輪的半徑誤差。③根據(jù)加工經(jīng)驗公式得出所需的各個加工任務參數(shù)，包括所需的最終天輪加工半徑值、粗加工半徑值、精加工半徑值等，其他參量及控制過程由本控制系統(tǒng)自設默認值控制。④將所得出的各個加工任務參數(shù)輸入自動窗口界面的相應輸入框內(nèi)，啟動自動運行開關，開始車削加工。

圖3　控制系統(tǒng)的控制程序流程圖

2.人機界面設計及與PLC的連接

根據(jù)PLC輸入輸出開關量、數(shù)字量的程序設計預留接口，設計觸摸屏的窗口輸入輸出開關，包括步進電機運行指示燈、左行按鈕、右行按鈕、粗加工參數(shù)輸入、精加工參數(shù)輸入等，并進行合理布局，得到如圖4所示的觸摸屏人機界面。

圖4　手動窗口界面圖

天輪繩槽車削裝置的控制系統(tǒng)中，昆侖通態(tài)的TPC7062TX(KX)型號的觸摸屏與三菱的FX1N-40MT型號的PLC，具有良好的兼容性。因此，物理連接通過RS232將觸摸屏接口和PLC接口連接，接口類型選擇RS-232C，波特率設定為9600bps，其他采用默認設定即可實現(xiàn)通信。

四、結(jié)論

礦井提升機天輪車槽裝置控制系統(tǒng)的設計使用，使天輪繩槽的車削工作可以在高空平臺上在線進行，車削過程高效規(guī)范、平穩(wěn)安全、精度較高，現(xiàn)場施工人員的安全也得到了有效保障。經(jīng)實踐證明：能夠有效地在高空天輪平臺上實行天輪繩槽在線高效車削工作，避免了動用大型起吊機的種種麻煩，滿足礦井天輪繩槽的加工要求。