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煤矿立井提升机液压制动系统控制器设计

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2020年11月上作者：刘振

[导读] 随着经济和各行各业的快速发展，煤矿立井提升机液压制动系统作为煤矿提升机重要的保障，其液压制动系统故障可能引起坠罐、滑动、过卷等运输事故，影响了煤矿安全开采。煤矿立井提升机液压制动主要分为紧急制动和工作制动，当遇到紧急情况时，提升机启动紧急制动方式，对提升机实施二级制动，进行抱闸停车;当工作制动情况时，系统改变提升机滚筒的制动力矩，使煤矿提升机进行停车。

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摘要：随着经济和各行各业的快速发展，煤矿立井提升机液压制动系统作为煤矿提升机重要的保障，其液压制动系统故障可能引起坠罐、滑动、过卷等运输事故，影响了煤矿安全开采。煤矿立井提升机液压制动主要分为紧急制动和工作制动，当遇到紧急情况时，提升机启动紧急制动方式，对提升机实施二级制动，进行抱闸停车;当工作制动情况时，系统改变提升机滚筒的制动力矩，使煤矿提升机进行停车。目前，国内高校对提升机液压制动系统的研究有了很大的进步，包括提升机综合后备保护装置、制动盘断面跳动的动态监测和闸瓦的温度监测等。但其中部分研究针对监测量单一，不能够做到通用和设备高集成度，也不能根据煤矿具体环境进行有效改进。为此，本文研究了煤矿立井提升机液压制动系统控制器，分析了控制器硬件组成和软件部分，研究使煤矿提升机液压制动系统更智能化、稳定、可靠和精确。
关键词：煤矿立井；提升机；恒减速制动；控制系统
        引言
        在分析当前控制系统存在问题的基础上，从恒减速制动系统结构组成、总体方案、硬件及软件分系统等方面，对提升机恒减速制动控制系统进行设计研究，并对该系统进行应用测试。测试结果表明：该系统运行平稳，实现了制动过程的平稳减速，大大降低了提升机制动故障发生率及维护费用支出，满足了提升机的制动减速需求。
        1液压制动控制系统结构
        液压制动控制系统主要包括执行装置和动力装置，系统功能:①能够对液压制动系统的运转状态进行监测，主要是盘式制动闸制动盘偏摆量、空动时间、闸瓦间隙，液压站油泵电机电流、油压、油温等进行监测;②能够自主调整主阀电液比例溢流阀，对开合程度进行调节，实现对制动力的可控;③可以对各电磁换向阀进行控制，实现节能;④可以显示制动系统的监测参数、电磁换向阀的状态、滚筒角速度值等，并能够对故障进行报警。电控系统主要是内部总线和监控计算机，主要有电源系统、设备状态监控、安全控制与监测、润滑站控制与监测、液压站与盘形闸控制监测、动力制动控制与监测、转子回路控制与监测、换向控制与监测、工作模式选择与调绳、提升高度与速度测量、载荷测量及信息集成。
        2现有制动控制系统存在的问题
        1）大多控制系统采用了成熟的PID循环算法进行控制，但由于提升机的制动过程相对复杂，受多种工况及因素影响，采用该控制算法，则较难实现对制动过程的精确计算，制动响应及控制稳定性相对较弱。2）现有的提升机控制系统在运行过程经常出现线路短路、运行异常制动、制动减速过程较短等问题，分析其原因为由于井下环境的相对恶劣，加上提升机经常处于超负荷、猛烈振动等工况，控制系统长期在此工况下工作，出现了线路松动，信号紊乱等问题。3）由于提升机控制系统存在管理不合理问题，导致在其运行时，经常有人误操作，加上大部分控制系统均未安装显示界面，无法直观地通过显示器对控制系统进行操作，整体操作性及后期维护保养性相对较弱。为此，以现有的提升机控制系统为设计基础，对控制系统进行升级研究，以提高其控制精度及自动化程度。
        3控制系统的设计
        3.1控制器硬件部分
        控制器硬件部分主要包括A/D转换模块、主控单片机模块、分频电路、过流保护电路、电流采样电路、485通信模块等。(1)A/D转换模块。将电液比例阀闭环控制的角加速度传感器电流信号，监测装置电压信号、电流信号转换为数字信号，并输入到主控单片机中，系统选择ADS7852Y型A/D转换模块，模块具有12位数字信号输出、8通道输入。

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与主控单片机I/O口连接;V1—V6为状态监测系统的传感器信号输入;V7为电液比例阀闭环控制器的角加速度传感器信号输入;V8为滚筒角速度传感器信号。(2)主控单片机模块。主要有晶振电路、复位电路、单片机和若干接口的网络标号。其中，晶振电路采用主频为12MHz的晶振作为时钟;复位电路采用IMP812LEUST-T电压监控芯片;单片机采用AT89S8253对单片机，能够提供2kB的EEPROM数据存储器和12KB的Flash程序存储器。(3)分频电路。A/D转换需要128μs的状态值读取时间控制信号和1MHz的时钟频率，需要使用分频电路。主要采用SN74HC393双路四位二进制计数器。CLK0为2MHz的频率信号;CLK1为监测装置的信号读取时间频率。
        3.2控制系统的应用测试
        为进一步验证所设计的控制系统的稳定性及可靠性，在室内环境中搭建了一套试验测试系统，主要包括PCB电路控制板、液压站、液压转换器、油压传感器、光电编码器等。主要对整套系统的运行状态及稳定性进行了测试分析。在测试过程中，该控制系统的信号响应迅速，系统运行未出现问题，提升机制动减速过程运行平稳，速度基本维持在一个恒定范围内，满足了提升机的设计及运行要求。同时，在测试过程中，该控制系统对速度过快及过慢进行了异常报警提示，通过显示界面进行了实时显示。该系统测试成功，得到了矿井相关专业人士的一致认可和好评，达到了提升机的现场使用要求，建议在提升机制动减速过程中进行推广应用。该控制系统的成功应用，将使提升机的制动故障率降低40%以上，作业人员的劳动强度大大降低，相关维修及保养费用节约将近50万元/年以上，所带来的价值重大。
        3.3优化方案设计
        矿井提升机中使用的滚筒的结构有电动机，冠轮，减速器和鼓筒等诸多部件。不同类型的传感器需要监视和检测不同位置的故障现象。对于由滚子，电动机或飞轮引起的振动型机械故障，常见的解决办法是使用振动传感器来发现故障并分析其原因。辊的挠度可以使用压力传感器和位移传感器来进行监控。根据传感器监控到的结果来做好起重故障诊断计划。该结构包括监视主机，信号调节器，数据采集卡和检测传感器等诸多部件。所实现的特定功能包括基本操作参数显示，运行过程中的数据提取和监视数据来进行存储记忆等。矿井提升机中所包含的传感器类型很多，温度，位移，速度，振动，加速度传感器等。这些传感器的安装位置和条件要求也较为严谨：首先是要远离影响设备运行的环境的位置，另外还要距离轴承，并且机械设备相对敏感的位置，另外还要考虑到与故障点的距离，并且承载能力良好。
        3.4软件设计及编程
        系统检测提煤模式，确定是双勾还是单勾提煤，在双勾提煤模式下，系统检测电机电枢电流在匀速段是否在-1800A～+1800A，如果是，提升机电控系统报煤未卸净故障，-K101继电器动作，装卸载急停动作和警铃报警，如不复位，则一直保持装卸载急停二无法再次提煤，如复位则需东西斗各空勾运行一次后才可恢复正常提升。在单勾提煤模式下，系统检测电机电枢电流，检测下回电流在匀速段是否大于+200A或者小于-300A，如果是，提升机电控系统报煤未卸净故障，-K101继电器动作，装卸载急停动作和警铃报警，如不复位，则一直保持装卸载急停二无法再次提煤，如复位则需东西斗各空勾运行一次后才可恢复正常提升。
        结语
        煤矿提升机液压制动系统状态监测技术，分析了液压制动控制系统结构，分析了煤矿提升机液压制动系统监测参数，对相关技术监测参数进行了设计，并给出了相关传感器的选型。研究确保了煤矿的安全生产。
参考文献
[1]李世东.制动控制系统在矿用提升机中的应用研究[J].煤矿现代化，2020（3）：151-153.
[2]王琪.矿用提升机制动系统的分析与改进[J].机械管理开发，2019，34（6）：126-127.
[3]田素智.矿井提升机恒力矩恒减速转换装置电液控制系统研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2019.