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矿井提升机电液控制系统的研究

发表时间：2020/9/24 来源：《基层建设》2020年第17期作者：谢平马正浩姚伟

[导读] 摘要：针对现有的提升机电液控制系统在使用过程中液压冲击大、制动力不可调，导致提升机制动时出现“硬制动”的现状，提出了一种新的矿井提升机电液控制系统。

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        摘要：针对现有的提升机电液控制系统在使用过程中液压冲击大、制动力不可调，导致提升机制动时出现“硬制动”的现状，提出了一种新的矿井提升机电液控制系统。该系统采用了PID模糊控制算法，对提升机制动过程中的制动力进行判断，电磁比例溢流阀根据制动力需求调整开度大小，实现了对提升机的柔性制动控制，有效降低了制动时的冲击，提升了制动可靠性和稳定性。
        关键词：提升机电液控制PID溢流阀
        引言
        矿井提升机是由提升平台、钢丝绳、制动系统及提升系统共同构成的用于实现人员和物料进出井下的装置，具有结构简单、经济性好的优点。随着矿井综采作业深度、提升机的提升速度和载重量不断增加，提升钢丝绳因其柔性结构，在制动和启动过程中会产生力的滞后性，导致提升机产生巨大的振动和冲击，给人员和物料运输安全造成了极大的隐患。本文结合高速、大载重提升机的应用特性，提出了一种以PID模糊控制为核心的矿井提升机电液控制系统。
        1提升机电液控制系统总体结构
        由于矿井提升机在运行过程中存在较大的不稳定性因素，因此为了确保对提升机制动过程的精确控制，采用了闭环控制调节模式。在该控制系统中，首先由设置在提升机各处的传感器设备对提升机运行时的状态进行监测，然后将监测结果传送到系统的单片机内，单片机根据提升机的运行状态和制动要求，输出电液控制系统的电液比例溢流阀开度调节信号，控制制动机构对提升机提升滚筒的制动力，然后利用设置在提升滚筒上的角加速度传感器对提升滚筒的速度变化情况进行监测，将监测结果返回到主控单片机内，对实际运行状态和理论运行状态的偏差量进行模糊分析，并输出调节控制信号，实现对提升机制动状态的闭环控制。在控制过程中主控单片机通过控制电磁溢流阀驱动控制模块来实现对电磁溢流阀开度的灵活调整，该控制系统的数据信息传递均通过CAN数据总线和485数据通信接口进行，以满足在恶劣工况下的传输稳定性和便捷性的需求。
        2电磁阀驱动控制模块结构原理
        该提升机电液控制系统的核心，在于电磁溢流阀的驱动控制模块能否根据控制指令，实现对提升机电磁溢流阀开度的精确调控，为了满足各种工况下电磁溢流阀灵活调整的控制需求，在控制系统中增加了MOSFET反接卸荷组件，实现了对工作过程中油压的连续可调。在工作过程中主控单片机首先输出制动控制指令，该控制指令以PWM（脉冲宽度调制）数据信号的形式进行发送，将数据信号传递到MOSFET（金氧半场效晶体管）反接卸荷组件内，数据通过电磁比例溢流阀的功率放大模块放大后传输到电液比例溢流阀中，系统中的电流采样控制模块则对输入的控制电流进行保护，当输入电流超过最大开度电流时，系统自动断开，确保电控元件的控制精确性。在控制过程中系统通过模糊算法，对控制信号进行分析，实现对PWM（脉冲宽度调制）数据信号输出占比控制，从而实现对比例溢流阀开度大小的精确控制，满足制动力按设定曲线变化的控制需求。
        3电液比例模糊调节控制
        PID模糊控制是一种以模糊集合、模糊变量及模糊推论为基础的控制理论。由于提升机的液压系统在实际工作过程中油压会随着温度、管路状态及制动速度的不同而产生较大的差异，传统的精确控制或者是经验控制方案均难以满足对提升机比例溢流阀开度的控制需求，因此只能通过采用PID模糊控制的方案再加上反馈控制回路来实现对比例溢流阀控制状态的动态调节，满足柔性制动的需求。在对数字量信号进行模糊化处理的过程中，系统首先根据控制器的设定值和提升机提升滚筒的运行速度信号之间的偏差为调节基础，在模糊控制器内经过模糊量化处理、模糊规则控制、模糊策略决策和模糊化处理等过程获取最终的控制变量，实现对比例溢流阀开度大小的控制，最终反映到对制动压力的控制。

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        4提升机制动控制系统的应用
        为了对该电液控制可靠性进行分析，以某型立井提升机电液控制系统为例，对其进行升级改造，然后对载荷为4.5t，运行速度为3.5m/s情况下的制动情况进行研究。当采用PID模糊控制时，在0~0.4s内速度快速下降，在0.4~0.8s内系统速度开始平稳下降，从而有效确保了制动的平稳性，当采用传统控制模式，在0~0.9s内速度下降较慢，但在第1s时，制动系统突然抱死，虽然实现了制动，但产生了极大的振动和冲击。而且对比传统的控制模式，PID模糊控制在实现平稳制动时的制动速度降低了20%，极大提升了提升机系统的运行稳定性和制动灵敏性。
        提升机电液控制系统的明显特点在于自动化控制，在开采煤矿时，设备碰到复杂多变的状况，凭借人工实施控制有一定的滞后性，难以精确控制调整的程度，但是在自动化控制方式下可以很好地处理上述情况。具体而言，可以应用该系统的智能模块实现自动化控制，涵盖行程传感设备、压力控制设备、传感设备等，各设备单独运行，并且互相保持相应的联系性。例如在设计压力控制时，在设备中加装一个压力感应器且将其连接到控制中枢。在运行过程中，基于各种运行状况设备的压力形成改变，如此的改变一般处在一个安全范围之内，此范围的极值是启动初始值与最大压力安全值。感应器一个周期的时间是0.2s，实时感应压力，如果压力值在初始值以下或最大压力值以上，感应器能够向智能中枢迅速地体现这种状态，智能中枢可以发出警报和实施调节。在进行调节之后，恢复压力控制为正常值，从而防止毁坏受其制约的综采设备构件。现代化工业的发展方向是自动化控制，煤矿开采中的智能化控制显得非常关键，除以上分析的压力控制之外，它还能自动化控制和处理泄漏瓦斯和顶层松动的现象，从而使煤矿开采的安全性与效率显著提高。
        大数据技术在电液控制系统中的应用，即结合大数据技术对液压设备的运行情况信息进行分析，进而实现此系统中寿命管理模块性能的提升。这就要求有效统一物联网技术与大数据技术，即应用物联网技术收集、检测、传输装备工作状态的信息数据，然后结合大数据技术开展分析、处理、融合工作，从而更加有效地服务于系统中的设备。并且，在电液控制系统中应用统一网络技术、云计算技术、物联网技术等大数据技术，可以确保电液控制系统切实具备提升机全周期寿命管理以及故障预测的能力。这样不但能提升了检修和维护液压设备的效率，延长设备使用年限，还能提升煤矿生产效率和质量，确保矿井工作者的人身安全。应用智能控制技术。在电液控制系统中应用智能控制技术，即结合智能控制技术优化其控制，这表现为控制过程的很多环节。其中，模糊控制能够解决控制过程中难以建立提升机及其相关控制对象控制模型的问题；神经网络能够给控制过程中的不确定性提供比较高的容错度，并且提高适应变化因素的性能；专家控制可以使控制精度提升，提高诊断故障的性能。总之，结合这一系列的智能控制措施，可以大大提升电液控制系统的自动追机拉架、工作面校直找平等能力，也可以在支架在各种姿态情况下依旧确保一系列动作控制的精确度，进一步提升电液控制系统的自动化水平。
        5结论
        1）PID模糊控制的方案，能够确保提升机在各类工况下对液压系统压力的精确监测，实现对比例溢流阀开度大小的精确控制，是实现提升机柔性制动的基础；2）新的提升机电液控制系统在制动过程中的制动时间比传统控制方案缩短了20%，但制动更加平稳，有效提升了系统的运行稳定性和制动灵敏性。
        参考文献
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