關(guān)于礦用提升機(jī)制動(dòng)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張 銘

（山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046200）

引言

制動(dòng)系統(tǒng)作為礦井提升機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能好壞決定著提升機(jī)能否安全運(yùn)行，一旦礦用提升機(jī)在工作過程中制動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，將會(huì)造成設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷、人身傷亡等嚴(yán)重后果，給企業(yè)和個(gè)人帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。近年來煤礦企業(yè)對(duì)生產(chǎn)安全重視程度越來越高，煤礦事故逐年降低，但是由于提升機(jī)制動(dòng)過程故障導(dǎo)致的傷亡事故時(shí)有發(fā)生。因此研究礦用提升機(jī)制動(dòng)過程控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)一步提升礦用提升機(jī)制動(dòng)過程的可靠性具有重要的意義。

1 礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理

目前國產(chǎn)礦用提升機(jī)制動(dòng)全部使用液壓盤形制動(dòng)器，制動(dòng)力來源于蝶形彈簧組，液壓控制盤形制動(dòng)閘動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的制動(dòng)過程，應(yīng)用過程中具有良好的制動(dòng)性能。液壓盤形制動(dòng)系統(tǒng)組成有給定模塊、電控模塊、液壓系統(tǒng)模塊、盤形制動(dòng)器模塊、制動(dòng)負(fù)載。工作原理是控制系統(tǒng)獲取制動(dòng)信號(hào)之后傳輸至控制器，由控制器對(duì)制動(dòng)電信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換并進(jìn)行分析處理，輸出液壓系統(tǒng)能夠識(shí)別的控制信號(hào)；液壓系統(tǒng)接收控制信號(hào)輸送給系統(tǒng)中的電磁閥、液壓泵、液壓馬達(dá)等，實(shí)現(xiàn)液壓回路的控制，為制動(dòng)系統(tǒng)提供高壓油，推動(dòng)制動(dòng)器執(zhí)行制動(dòng)操作。

2 礦用提升機(jī)制動(dòng)過程電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求

2.1 制動(dòng)過程電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓盤形制動(dòng)器電控系統(tǒng)的作用是控制伺服控制閥、比例溢流閥、電磁換向閥等閥件，使其按照規(guī)定要求動(dòng)作，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可以看出液壓盤形制動(dòng)器控制系統(tǒng)由電源電路模塊、數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換模塊、手動(dòng)制動(dòng)控制模塊、控制器及其相關(guān)外圍電路、信號(hào)放大電路模塊及電流檢測(cè)電路模塊等組成。其中電源電路模塊在液壓盤形制動(dòng)控制構(gòu)成中為其他各個(gè)模塊輸送標(biāo)準(zhǔn)電壓；數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換模塊主要完成數(shù)字量信號(hào)與模擬量信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化，使各個(gè)模塊均能獲得各自可以識(shí)別和處理的信號(hào)；手動(dòng)制動(dòng)控制模塊適用于礦用提升機(jī)手動(dòng)制動(dòng)操作，當(dāng)操作人員促動(dòng)手柄時(shí)電控系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，隨后進(jìn)入數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成之后輸入單片機(jī)進(jìn)行處理；控制器及相關(guān)外圍電路模塊是指單片機(jī)處理器以及與之相關(guān)聯(lián)的電源電路、復(fù)位電路、晶振電路等；信號(hào)放大電路模塊連接在單片機(jī)的輸出端，用于對(duì)單片機(jī)輸出的微小控制信號(hào)進(jìn)行放大處理，降低外界干擾；電流檢測(cè)電路模塊主要作用是對(duì)相關(guān)電磁控制閥線圈中的電流信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行光電隔離處理之后反饋給單片機(jī)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 制動(dòng)過程電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

當(dāng)前礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)多采用二級(jí)制動(dòng)控制，屬于恒力矩制動(dòng)，制動(dòng)過程中減速度不可控，制動(dòng)效果仍有提升空間。恒減速制動(dòng)控制可以通過加速度傳感器監(jiān)測(cè)減速度，反饋調(diào)節(jié)制動(dòng)油壓使礦用提升機(jī)以規(guī)定減速度制動(dòng)[4-5]。綜合上述兩種制動(dòng)控制方式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前使用的礦用提升機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)：第一是在二級(jí)制動(dòng)方式的基礎(chǔ)上增加恒減速制動(dòng)方式，為提升機(jī)的制動(dòng)提供雙保險(xiǎn)；第二是重要的液壓控制回路設(shè)計(jì)雙通道，確保液壓回路暢通，可靠制動(dòng)。恒減速制動(dòng)和雙通道液壓回路的設(shè)計(jì)導(dǎo)致當(dāng)前電控系統(tǒng)不能滿足改進(jìn)后礦用提升機(jī)的要求，因此，需要完成相關(guān)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

3 液壓盤形制動(dòng)過程電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制器與其外圍電路

控制器選擇型號(hào)為CW89F52 的單片機(jī)，其隨機(jī)存儲(chǔ)器容量為512B 字節(jié)、配置32 個(gè)輸入/輸出接口、Flash 大小為8K、支持兩種省電模式、兼容8051系列單片機(jī)引腳，同時(shí)具有性能優(yōu)良、節(jié)能節(jié)電的優(yōu)點(diǎn)[6]。圖2 給出了控制器及外圍控制電路系統(tǒng)。

圖2 控制器及外圍控制電路系統(tǒng)

系統(tǒng)中微控制器的晶振頻率設(shè)置為12 MHz；RP1 位置配置8 個(gè)P0 口；IMP812MEUST 型芯片用于監(jiān)控系統(tǒng)電壓，控制單片機(jī)電路復(fù)位，包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種復(fù)位模式，前者要求JP1 斷路，后者要求JP1 短路；控制單片機(jī)的PWM 電平信號(hào)分別由PWMInL 和PWMInH 發(fā)出，比例閥線圈過流信號(hào)反饋給PWMOI 實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)控制，PWM 信號(hào)反饋給PWMOut 實(shí)現(xiàn)故障診斷。BEnd 為制動(dòng)器的松閘信號(hào)；CLK0 多次分頻之后輸出A/D 轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)，包括ADCK 和CLK2。

3.2 手柄給定信號(hào)電路

手柄給定信號(hào)電路主要用于提升機(jī)手動(dòng)操作模式，其需要與零位開關(guān)配合使用，當(dāng)零位開關(guān)接通，液壓盤形制動(dòng)器松閘，反之緊閘制動(dòng)。手柄發(fā)出的制動(dòng)信息在電路中形成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，之后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成控制器能夠讀懂的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行分析處理，獲得手柄制動(dòng)信號(hào)的給定值。圖3 給出了手動(dòng)給定信號(hào)電路。

電路中由MBRIn、電位器VR1、電阻R7 串聯(lián)獲取給定信號(hào)電流值；電流的采樣通過采樣電阻R10實(shí)現(xiàn)；差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單邊信號(hào)由放大器D5 實(shí)現(xiàn)；為了保證信號(hào)的穩(wěn)定性，電路中設(shè)計(jì)了C5、C6 兩個(gè)濾波電容；D6 放大器完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變功能；VR1 可變電阻用于調(diào)整信道的增益。

圖3 手動(dòng)給定信號(hào)電路

3.3 信號(hào)放大電路模塊

單片機(jī)輸出的微弱控制信號(hào)不能夠直接驅(qū)動(dòng)閥的控制線圈，而且傳輸過程中極易受到外界或者強(qiáng)電的干擾，故將微弱信號(hào)首先輸入功率放大器進(jìn)行放大處理，之后用于驅(qū)動(dòng)電磁閥的動(dòng)作。圖4 給出了信號(hào)放大器電路。

圖4 信號(hào)放大電路

電路中對(duì)停車指令信號(hào)Vses 的放大處理過程如下：PWM發(fā)出的高、低電平信號(hào)分別經(jīng)過D4B 和D4C 進(jìn)行反向?yàn)V波處理，之后與線圈過流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，之后進(jìn)行光電隔離，其中U3A、U3B 為光電隔離裝置。單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)，若比例閥線圈電流處于正常范圍，U3 發(fā)光二極管形成光電隔離，之后進(jìn)入功率放大器進(jìn)行信號(hào)的放大；若比例閥線圈電流超過正常范圍，U3 發(fā)光二極管斷開，不能發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)線圈進(jìn)行過流保護(hù)。

3.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示。A/D 轉(zhuǎn)換器型號(hào)為ADS7852Y，是一種12 位8 通道轉(zhuǎn)換器，可以將外部12 V 電源信號(hào)轉(zhuǎn)換成5.1 V 為其提供電能。A/D 轉(zhuǎn)換器的外部時(shí)鐘信號(hào)主要來自單片機(jī)的分頻，其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和外部供電電源的濾波處理主要由C16、C17、C18 及C19 完成。

圖5 A/D 轉(zhuǎn)換電路

3.5 電源電路

控制系統(tǒng)中需要+5 V、+7.5 V、+24 V 三種電源，其中：+5 V 電源的供電對(duì)象是單片機(jī)、放大器等元器件；+7.5 V 電源的供電對(duì)象是運(yùn)算器、MOSFET等；+24 V 電源的供電對(duì)象是制動(dòng)操作手柄、閥類線圈等，電源電路如圖6 所示。開關(guān)電源SW100 完成220 V 交流電的轉(zhuǎn)換得到+24 V 的電源電壓，DFA5-24S12 和DFA5-24S5 完成+24 V 電源電壓的轉(zhuǎn)換得到+12 V 與+5 V 的電源電壓，通過穩(wěn)壓操作將+12 V 電壓降低獲得+7.5 V 電源電壓。

圖6 電源電路

4 應(yīng)用效果

配合礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)功能改造完成了電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證電控系統(tǒng)的改進(jìn)效果，進(jìn)行了改進(jìn)前后礦用提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明礦用提升機(jī)改進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)之后制動(dòng)響應(yīng)更加迅速、運(yùn)行更加平穩(wěn)。新設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)邏輯關(guān)系準(zhǔn)確、運(yùn)行順暢。應(yīng)用改進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)的礦用提升機(jī)在整個(gè)制動(dòng)測(cè)試過程中未出現(xiàn)任何問題，制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提高。