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(1.昆山登云科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 昆山 215300；2.昆山恒睿測控軟件技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

研究與設(shè)計

礦用提升機(jī)液壓站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

盧美鴻1，朱圣華1，伍路旺2

(1.昆山登云科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 昆山 215300；2.昆山恒睿測控軟件技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300)

液壓站是礦用提升機(jī)的一個重要部件，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)在提升機(jī)運(yùn)行過程中液壓泵始終處于全速運(yùn)行狀態(tài)，需要以最大流量為系統(tǒng)供油，存在機(jī)械磨損嚴(yán)重、噪聲大、能耗高等問題，處于一種不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。為解決上述問題，本設(shè)計在保持現(xiàn)有液壓站基本結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，采用PLC和變頻控制技術(shù)對液壓站的壓力調(diào)節(jié)進(jìn)行設(shè)計和改造，使其具備更高的安全性和更好的經(jīng)濟(jì)性。

礦用提升機(jī)；液壓系統(tǒng)；PLC控制；變頻控制

Abstract：A hydraulic station is an important part of a mine hoist，and in a traditional hydraulic system，a hydraulic pump operates at a full speed all the time in the hoisting operating process to supply oil to the system at the maximum flow and it involves such problems as serious mechanical wear，high noise，high energy consumption and uneconomical operation status.In order to solve the above problems，on the basis of maintaining the basic structure of the existing hydraulic stations，PLC and variable frequency control technology are adopted to design and renovate the pressure regulation of hydraulic stations to make them safer and more economical.

Keywords：mine hoist；hydraulic system，PLC control，variable frequency control

1 研究目的

液壓站是礦用提升機(jī)的一個重要部件[1]，主要由油泵和液壓控制閥組成，其功能是為提升機(jī)制動系統(tǒng)提供液壓源，以及對提升機(jī)進(jìn)行制動或松閘控制，保障提升機(jī)的工作制動和安全制動。隨著提升機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，與之配套的液壓站也經(jīng)過了不斷的改進(jìn)與完善，其工作性能特別是安全可靠性得到了很大提高，但其調(diào)節(jié)壓力的基本原理并沒有改變，依然是采用由液壓泵將低壓油加壓變?yōu)楦邏河?，再?jīng)壓力調(diào)節(jié)閥對高壓油的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)提升機(jī)制動閘動作所需要的壓力。

提升機(jī)運(yùn)行時液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)過程如下：當(dāng)提升機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動需要打開制動閘時，系統(tǒng)需要較大的壓力，這時壓力調(diào)節(jié)閥的開度要減??；當(dāng)提升機(jī)需要制動時，系統(tǒng)需要較小的壓力，這時壓力調(diào)節(jié)閥的開度要增大。為了滿足制動系統(tǒng)油壓力的快速變化，提升機(jī)在運(yùn)行過程中制動油泵始終處于全速運(yùn)行狀態(tài)，需要以最大流量向系統(tǒng)供油。特別是在制動閘處于全打開的狀態(tài)時，油泵供油壓力達(dá)到最大值，電機(jī)負(fù)荷也最大，這樣會造成油泵機(jī)械磨損大，噪聲大，能耗高，使油泵處于一種不穩(wěn)定和不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。本設(shè)計在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對制動油泵加裝變頻控制，實現(xiàn)制動油泵的節(jié)能運(yùn)行，并減少了油泵機(jī)械磨損、降低了運(yùn)行噪聲。

2 設(shè)計思路

在原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過加裝變頻自動控制系統(tǒng)，將油泵定量供油和單獨(dú)依靠壓力調(diào)節(jié)閥溢流的調(diào)壓方式改為“調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速+調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥溢流量”的綜合調(diào)壓方式。

(1)在制動油泵電源回路中加裝變頻器即可實現(xiàn)油泵的變頻控制，使油泵轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)需要而改變，而不是全過程都處于全速運(yùn)行狀態(tài)，這樣可以節(jié)約電能和減小機(jī)械磨損。

(2)加裝PLC或使用提升機(jī)控制系統(tǒng)中原有PLC對液壓系統(tǒng)的油泵和壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動控制[2-5]，實現(xiàn)“調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速+調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥溢流量”的綜合調(diào)壓方式，使液壓系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)壓響應(yīng)迅速。

(3)液壓系統(tǒng)中的其他各控制閥保持原有功能不變。

3 系統(tǒng)控制過程

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，在PLC編程軟件中設(shè)定油泵的最低轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)閥的最小開度，將制動手柄輸出的0～10 V信號由原來直接調(diào)整制動壓力改為系統(tǒng)油壓給定信號輸入至PLC。PLC對制動油壓調(diào)節(jié)過程為：壓力傳感器將檢測到的實時壓力傳送至PLC(即反饋信號)，通過與手柄給定的壓力信號進(jìn)行比較，將比較結(jié)果用于對壓力調(diào)節(jié)閥開度和油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制。根據(jù)制動手柄所處位置的不同，對各階段制動油壓控制方式如下。

(1)制動手柄處于全制動位置時的油壓控制：當(dāng)制動手柄處于全制動位置時，PLC接收到“全制動”信號后控制油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)閥處于失電狀態(tài)。此時系統(tǒng)制動油壓為零，提升機(jī)制動閘的制動力為最大。

(2)制動手柄處于調(diào)壓位置時的油壓控制：當(dāng)制動手柄移至調(diào)壓區(qū)間(即全制動與全松閘之間的位置)時，油泵首先快速啟動并以全速運(yùn)行，系統(tǒng)油壓僅取決于壓力調(diào)節(jié)閥的開度，其壓力調(diào)節(jié)過程與液壓站工頻運(yùn)行一致。

(3)制動手柄處于全松閘位置時的油壓控制：當(dāng)制動手柄移至全松閘位置時，PLC接收到“全松閘位置”信號，這時輸出最大模擬量信號，閘電流放大板的輸出電流為最大值，而壓力調(diào)節(jié)閥的溢流量可降至最少，同時PLC自動將PID目標(biāo)壓力值調(diào)至小于最大設(shè)定值(以閘瓦能全松閘為準(zhǔn))。這樣，液壓系統(tǒng)在保持松閘壓力的狀態(tài)下油泵以很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

上述三種狀態(tài)不僅適用于提升機(jī)“手動”控制模式，也適用于“全自動”控制模式。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

(1)液壓站通常配備兩臺油泵(一用一備)，本設(shè)計還需配備一臺變頻器，并加裝轉(zhuǎn)換開關(guān)，以實現(xiàn)“一控二”的控制方式。為保障在變頻器發(fā)生故障時液壓站仍能正常工作，制動油泵還需保留原有的工頻運(yùn)行控制功能，并可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行工/變頻切換。液壓系統(tǒng)啟動頻繁且為重載啟動，因此必須選用具有恒力矩特性的通用型變頻器，而且其額定容量應(yīng)大于油泵電機(jī)額定功率1～2個檔級。

(2)根據(jù)提升機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀況確定是利用提升機(jī)電控系統(tǒng)中現(xiàn)有的PLC還是另加裝專用的PLC。選用提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)有的PLC時只需增加模擬量輸入和輸出通道各2個，并對原PLC程序進(jìn)行修改(添加對液壓站的變頻自動控制功能)即可；而選用加裝專用的PLC時(適合于提升機(jī)電控系統(tǒng)未配置PLC的情況)可選用FX系列的小型PLC同時配備具有2個模擬量輸入和2個模擬量輸出通道的擴(kuò)展模塊。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制程序流程

6 系統(tǒng)調(diào)試

在無條件進(jìn)行實物模擬調(diào)試的情況下一般采用現(xiàn)場調(diào)試法，即在機(jī)械和電氣整體安裝完成以后進(jìn)行調(diào)試工作。為了確保提升機(jī)在液壓站調(diào)試過程中的安全，在調(diào)試前必須使用提升機(jī)滾筒鎖緊裝置將滾筒鎖死以防滑車，具體調(diào)試過程如下。

(1)采用工頻控制方式運(yùn)行，通過操作制動手柄調(diào)節(jié)制動油壓，記下制動閘瓦打開時的壓力值，并將此壓力值作為變頻運(yùn)行全松閘狀態(tài)時的設(shè)定值。在工頻運(yùn)行方式下檢查PLC對各液壓閥的控制是否正確，檢查和調(diào)節(jié)二級制動壓力等，直至液壓站各部件均達(dá)到正常動作狀態(tài)，系統(tǒng)壓力控制靈敏、準(zhǔn)確為止。

(2)將液壓站控制系統(tǒng)切換到變頻運(yùn)行方式運(yùn)行[6]，并將各設(shè)定參數(shù)輸入至PLC。分別使制動手柄處于全制動、全松閘和壓力調(diào)節(jié)區(qū)間三個位置，觀察制動油壓變化是否正確。

(3)將提升機(jī)滾筒解鎖，在提升機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下對液壓站進(jìn)行動態(tài)調(diào)試。先進(jìn)行人工手動操作檢查和調(diào)試工作制動狀態(tài)，待正常后再進(jìn)行安全制動試驗。如果提升機(jī)具有全自動運(yùn)行功能，則還需進(jìn)行提升機(jī)全自動運(yùn)行狀態(tài)下的制動性能檢查和調(diào)試。

7 小結(jié)

目前我國擁有井工礦山企業(yè)達(dá)數(shù)萬個，這些礦山幾乎都在使用礦用提升機(jī)作為主要提升運(yùn)輸設(shè)備[7]。迄今為止，國內(nèi)生產(chǎn)的礦用提升機(jī)液壓站均采用傳統(tǒng)的工頻運(yùn)行方式，存在噪聲大、機(jī)械磨損嚴(yán)重及耗電量大等問題，這是廣大礦山科技人員一直力求解決的一大難題。設(shè)計礦用提升機(jī)液壓站變頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓站變頻自動控制，可較好地克服上述問題，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。該項技術(shù)的應(yīng)用將使礦用提升機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高，具有很好的經(jīng)濟(jì)價值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1]付子義，潘萍.分段式PMLSM垂直提升控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣傳動，2007，37(11)：55-57.

[2]盧美鴻，劉國海.王富良，等.基于PLC的兩電機(jī)同步系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制[J].電氣傳動，2007，37(11)：50-54.

[3]盧端方，李瑋，周國興.SINUMERIK 840D系統(tǒng)在數(shù)控專用機(jī)床改造中的應(yīng)用[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2013，41(8)：58-60.

[4]孫燕良，張厚江，翟艷鳳，等.基于PLC氣動機(jī)械手的研究設(shè)計[J].森林工程，2011，27(3)：45-50.

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[6]孫曉磊，張全柱，鄧永紅.礦用變頻器SPWM差模輸出電壓諧波分析[J].電氣傳動，2015，45(8)：24-28.

[7]伍福德.鏈傳動1t礦車翻車機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與主要參數(shù)的選擇[J].礦山機(jī)械，2000(8)：26-28.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

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LUMei-hong1，ZHUSheng-hua1，WULu-wang2

(1.Kunshan Dengyun Science and Technology Vocational Technical College，Kunshan Jiangsu 215300，China； 2.Kunshan Hengrui Measurement and Control Software Technology Co.，Ltd.，Kunshan Jiangsu 215300，China)

2017-05-24

盧美鴻(1981-)，女，江蘇海安人，講師，碩士研究生，主要研究方向為自動控制技術(shù)，E-mail：58745145@qq.com。

TD534

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2095-2953(2017)10-0034-03