礦井提升機(jī)重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

張志梅

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦大型設(shè)備科，山西 大同 037016）

引言

煤炭作為人們生產(chǎn)生活所需的重要能源之一，是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活正常運(yùn)行的保障，近年來(lái)對(duì)其需求量逐年增加[1-2]。礦井提升機(jī)作為煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，主要任務(wù)是運(yùn)輸煤炭、人員、器具等，其安全問(wèn)題至關(guān)重要[3]。礦井提升機(jī)連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，而運(yùn)行維護(hù)人員又不能及時(shí)進(jìn)行故障排除使其恢復(fù)正常時(shí)，提升機(jī)內(nèi)的人員和貨物將會(huì)面臨被困井道中的情況，不僅無(wú)法及時(shí)到達(dá)指定的安全位置，還存在較大的安全隱患。因此，礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的工作可靠性引起人們的高度重視[4-6]。基于某煤炭企業(yè)服役中的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，開(kāi)展重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作，對(duì)于進(jìn)一步提高礦井提升機(jī)的工作可靠性具有重要意義。

1 系統(tǒng)控制原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 控制原理

礦井提升機(jī)重力下放控制系統(tǒng)工作過(guò)程中的責(zé)任是確保提升機(jī)下放運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠，當(dāng)接收到操控指令之后，在確定安全回路已掉電的情況下，控制液壓回路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)貨物提升或者下放動(dòng)作。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取提升系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的速度信息，將其與系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)速度進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算得出速度的偏差數(shù)值，據(jù)此輸出控制糾偏指令，反饋至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行速度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中速度的閉環(huán)控制和調(diào)整，確保提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。礦井提升機(jī)重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 控制原理示意圖

基于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)原理，完成了自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖2給出了礦井提升機(jī)重力下放控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的目的是完成提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和操作，信息數(shù)據(jù)的傳輸采用RS485完成，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)提升系統(tǒng)各個(gè)閥件的狀態(tài)、油壓、速度等信息的實(shí)時(shí)顯示與操控；控制電路板負(fù)責(zé)提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與處理，也負(fù)責(zé)在規(guī)定的控制指令下控制各種閥件與提升機(jī)的運(yùn)行速度；被控對(duì)象主要是指自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各種閥件，通過(guò)控制被控對(duì)象的動(dòng)作，包括控制提升系統(tǒng)速度的電液比例溢流閥、控制提升系統(tǒng)升降的換向閥等；傳感裝置主要是指各類傳感器件，涉及監(jiān)測(cè)制動(dòng)閘盤(pán)的溫度傳感器、監(jiān)測(cè)主軸的速度傳感器、監(jiān)測(cè)盤(pán)式制動(dòng)器油壓的油壓傳感器等。

圖2 重力下放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器確定

PLC作為工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)部使用較為廣泛的控制器，得到了各界的認(rèn)可，但是PLC控制因其順序運(yùn)作形式與主頻率偏低導(dǎo)致實(shí)時(shí)性比較差，與此同時(shí)，PLC控制器的編程形式不適應(yīng)于較為復(fù)雜的控制方法。因?yàn)镻LC具有上述局限性，礦井提升機(jī)重力下放系統(tǒng)使用高性能的嵌入式處理系統(tǒng)，其核心部件是微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)讀取執(zhí)行相關(guān)指令以及與外界交換信息等操作。相較于傳統(tǒng)的PLC控制器，微處理器具有強(qiáng)大的運(yùn)算性能與較高的運(yùn)行主頻，極適合礦井提升機(jī)重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.2 微處理器選型

微處理器選型需要考慮全面，包括具備所需的內(nèi)部工具、高度的靈敏性與超低的功率消耗等?；诘V井提升機(jī)重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要與控制原理，選擇ST公司開(kāi)發(fā)的STM32系列中的MCU微處理器，具備性能好、性價(jià)比較高的特點(diǎn)，最終確定的微處理器型號(hào)為STM32F405RGT6，具有重力下放控制系統(tǒng)極度需要的超強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理性能。主頻率數(shù)值為168 MHz，內(nèi)核型號(hào)為ARM Cortex-M4，分別配置了1 024 kB的FLASH和192 kB的RAM，內(nèi)置51個(gè)通用I/O接口，同時(shí)具有2個(gè)CAN總線和2個(gè)USB通信接口，具有很好的應(yīng)用性能。

2.3 嵌入式電路板

礦用提升機(jī)嵌入式電路板是其自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的載體，也是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心組成部分。嵌入式電路板工作性能的好壞，直接關(guān)系著提升機(jī)重力下放控制系統(tǒng)的工作性能和控制功能的可靠性，因此，要求嵌入式電路板具有快速響應(yīng)、抗干擾性強(qiáng)及實(shí)用性高等條件?；谏鲜鲎詣?dòng)控制系統(tǒng)對(duì)嵌入式電路板設(shè)計(jì)的要求，完成了MCU最小系統(tǒng)以及其外圍電路組成的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

圖3 重力下放控制板結(jié)構(gòu)

主程序作為提升機(jī)重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其工作流程如圖4所示，由圖4可以看出，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)控制指令時(shí)，首先進(jìn)行提升系統(tǒng)狀態(tài)檢查，確定其是否存在故障、安全回路是否掉電等；檢查完畢進(jìn)行系統(tǒng)自檢測(cè)，確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否良好，涉及控制系統(tǒng)是否有故障未排除、傳感器的工作狀態(tài)是否正常以及被控對(duì)象閥的閥位是否正常等。設(shè)備與控制系統(tǒng)均已檢查完畢無(wú)問(wèn)題之后，重力下放控制系統(tǒng)控制液壓站供油，若存在問(wèn)題，下放系統(tǒng)不能正常啟動(dòng)。重力下放系統(tǒng)啟動(dòng)之后，傳感器實(shí)時(shí)采集提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理分析之后確定提升機(jī)是否正常工作?？刂葡到y(tǒng)采集的運(yùn)行參數(shù)涉及提升機(jī)的運(yùn)行速度和制動(dòng)閘盤(pán)的溫度，一旦出現(xiàn)閘盤(pán)溫度過(guò)高，系統(tǒng)自動(dòng)停止提升機(jī)；同時(shí)當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行速度異常，當(dāng)速度處于0～1.2 m/s時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用速度調(diào)整程序，通過(guò)調(diào)節(jié)電液比例溢流閥的輸出量，及時(shí)調(diào)整盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)調(diào)速；當(dāng)速度大于1.2 m/s時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即停車，防止出現(xiàn)危險(xiǎn)。

圖4 主程序控制流程

3.2 人機(jī)交互界面

圖5 人機(jī)交互主界面

人機(jī)交互界面作為礦用提升機(jī)重力下放系統(tǒng)的重要組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的溫度、速度等狀態(tài)參數(shù)，基于自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成了人機(jī)交互主界面的設(shè)計(jì)，如圖5所示。主要包括實(shí)時(shí)速度油壓顯示、記錄查詢和控制參數(shù)設(shè)置。屏幕左邊為液壓站監(jiān)測(cè)顯示，涉及液壓閥件的狀態(tài)等，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行速度過(guò)大或制動(dòng)溫度過(guò)高時(shí)，主界面會(huì)給出報(bào)警提示；主頁(yè)面還包括核心數(shù)據(jù)區(qū)，實(shí)時(shí)顯示提升系統(tǒng)的運(yùn)作速度與工作油壓；主界面下部為參數(shù)設(shè)置和記錄查詢按鈕，方便現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制與歷史狀態(tài)查詢。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證礦用提升機(jī)重力下放自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)正在使用的礦井提升機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄運(yùn)行情況。結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足最初的設(shè)計(jì)要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，提升了礦用提升機(jī)近8%的有效利用率，減少了近5%的故障排除時(shí)間，節(jié)約了1～2名運(yùn)行維護(hù)人員，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近60萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。