付 亮

(汾西礦業(yè)集團南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031304)

井下采用的無極繩絞車具有提升能力強、占用空間小、操作便捷等優(yōu)點，在礦井中應(yīng)用較為廣泛。但是絞車控制是采用手動控制方式，在具體操作過程中存在控制精度低、安全性不高、驅(qū)動裝置容易受到?jīng)_擊等問題[1～3]。因此，筆者根據(jù)前人研究成果以及現(xiàn)場工作經(jīng)驗，提出一種無極繩液壓絞車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓絞車自動控制，提升絞車控制精度及控制安全性。

1 絞車手動控制概述

采用手柄控制絞車運行時，操控人員通過改變ZBS-H915變量泵內(nèi)部的轉(zhuǎn)子偏心度來控制輸出的液壓量，從而控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)對絞車運行速度控制。具體絞車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。采用手動控制時，操作司機根據(jù)自己工作經(jīng)驗對調(diào)整幅度值、準(zhǔn)確性進(jìn)行判定，不能實現(xiàn)對絞車運行速度的精準(zhǔn)控制[4～5]。

圖1 絞車手動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制原理

井下無極繩絞車運動狀態(tài)分為三種：絞車下行、上行以及停止運行。設(shè)計的液壓控制系統(tǒng)可以根據(jù)控制手柄輸出量以及控制手柄運移狀態(tài)對絞車運行狀態(tài)進(jìn)行判定，從而做出相應(yīng)的控制指令，具體控制系統(tǒng)的判定流程見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)判定絞車狀態(tài)流程

當(dāng)絞車需要提升相關(guān)設(shè)備時，控制手柄向上運移，運移量越大，絞車運行速度越高，此次控制系統(tǒng)中的三位四通閥位于左側(cè)、兩位四通閥則位于右側(cè)、兩位兩通電磁閥處于完全開啟狀態(tài)，絞車制動器松閘，絞車可以正常運轉(zhuǎn)，從而帶動鋼絲繩運轉(zhuǎn)，提升材料。液壓控制系統(tǒng)中的PLC單片機及PID設(shè)備根據(jù)控制手柄推入量控制絞車運行速度。

當(dāng)絞車需要下放材料時，三位四通閥、兩位四通閥運轉(zhuǎn)狀態(tài)與絞車提升狀態(tài)相反，兩位兩通電磁閥處于完全開啟狀態(tài)。等待1.5s延時時間后，絞車制動器松閘，驅(qū)動滾筒開始下放鋼絲繩，PLC單片機及PID設(shè)備依據(jù)手柄下推量對絞車下放鋼絲繩速度進(jìn)行控制。

當(dāng)控制手柄不動作時，PLC及PID設(shè)備將絞車運行速度降低為0，液壓制動器處于抱合狀態(tài)；當(dāng)液壓絞車需要緊急停車時可以通過操控制定拉桿來控制制動器，使得驅(qū)動滾筒停止運行。

2.2 液壓控制速度控制

2.2.1 運行速度分割

通過控制手柄位置對絞車運行速度、狀態(tài)進(jìn)行控制。PLC中數(shù)模轉(zhuǎn)換器對控制手柄推進(jìn)位置進(jìn)行讀取(根據(jù)位置判定需要的絞車運行速度)，并與電機運行速度進(jìn)行比對，從而推斷出兩者之間的速度差△w，當(dāng)控制手柄推移位置處的絞車運行速度與電機輸出控制的絞車運行速度一致時，單片機內(nèi)置運算將△w除20，取得目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并取整計作i，將轉(zhuǎn)速分割成i+1個時間段內(nèi)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。當(dāng)速度差△w取值為正時，在每個時間段內(nèi)速度轉(zhuǎn)速增加值均保持20r/min，直至到第i個階段，轉(zhuǎn)速增加至目標(biāo)轉(zhuǎn)速；當(dāng)速度差△w取值為負(fù)時，在每個時間段內(nèi)速度轉(zhuǎn)速按照20r/min遞減，直至到第i個階段，轉(zhuǎn)速降低至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)控制手柄運移方向與當(dāng)前絞車運動方向正好相反時，例如絞車處于下放狀態(tài)，控制手柄網(wǎng)上推移，控制絞車向上提升時，目標(biāo)轉(zhuǎn)速分割控制分兩個階段，具體為：先將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為0，并與當(dāng)前絞車運行速度取差值，得到△w，最后對速度進(jìn)行分割，直至絞車運行速度降低為0；隨后將手柄推移位置處的目標(biāo)速度與0取差值，得到△w，后對目標(biāo)速度進(jìn)行分割，最終使得絞車運行速度達(dá)到目標(biāo)值。

2.2 絞車運行速度的PID控制

待PLC將控制手柄需要的目標(biāo)速度進(jìn)行分割后，單片機按照速度分割結(jié)果并與速度速度傳感器獲取到的絞車運行速度進(jìn)行比對，得到目標(biāo)速度與實際速度間的差值，差值信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入到PID控制器內(nèi)，通過調(diào)整變頻器輸出的電流頻率，對絞車運行速度進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過i+1個時間階段速度調(diào)整后，將絞車運行速度調(diào)整至控制手柄推進(jìn)位置處所需要的速度，從而精準(zhǔn)控制絞車運行速度。

3 控制系統(tǒng)運行效果模擬分析

3.1 模型構(gòu)建

采用AMEsim軟件構(gòu)建模擬模型，對無極繩絞車液壓控制系統(tǒng)運行效果進(jìn)行模擬分析，并在模擬模型中對PID控制參數(shù)賦值，具體設(shè)定K1、Kp、KD分別為50、1300、1000，絞車運行時最大載荷為600kg，模擬轉(zhuǎn)速從-50～0r/min、0～-40r/min時絞車電機運行、液壓系統(tǒng)控制耗時以及控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)性。開始模擬時時間均為0，每隔0.01s采集一次參數(shù)，總的模擬時間分別為7s、24s

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)控制手柄推移至-40r/min、-50r/min目標(biāo)轉(zhuǎn)速時，液壓控制系統(tǒng)整個響應(yīng)過程見圖3、4所示。

圖3 液壓控制系統(tǒng)0～-40r/min調(diào)速響應(yīng)曲線

從圖3得出，絞車滾筒由0向目標(biāo)轉(zhuǎn)速-40r/min調(diào)整過程中，制動器延時1.5s松開制動閘，在整個速度調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)改變，整個速度調(diào)整共耗時約為3.8s(包含制動器延時1.5s)，最終絞車滾筒速度穩(wěn)定在-39.8r/min，較設(shè)定目標(biāo)值-40r/min相差0.2r/min，差值原小于允許的1.0r/min。

圖4 液壓控制系統(tǒng)-50～0r/min調(diào)速響應(yīng)曲線

從圖4得出，絞車滾筒從-50r/min降低至0時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)分為三個階段，分別為-50～-30r/min、-30～-10r/min、-10～0r/min，對應(yīng)的各個調(diào)速階段耗時分別為1.0s、1.0s、4.0s。液壓控制系統(tǒng)對絞車運行速度調(diào)整時，速度按照預(yù)先設(shè)定曲線進(jìn)行變化，較為平穩(wěn)，未有速度大幅波動情況出現(xiàn)，表明文中提出的絞車液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)可以對絞車運行速度平穩(wěn)控制。

4 結(jié)束語

1)采用PLC及PID控制器依據(jù)絞車控制手柄推移位置對應(yīng)的絞車運行速度進(jìn)行分割，通過PID控制器對變頻器輸出電流頻率，控制電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對絞車運行速度調(diào)節(jié)目的；

2)采用AMEsim對設(shè)定的液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)運行效果進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，液壓控制系統(tǒng)可以有效對絞車運行速度調(diào)整，速度調(diào)整過程中變化較為平穩(wěn)，不會給絞車運行造成不利影響。

3)通過采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)采用手動控制方式存在的速度控制不精確、驅(qū)動裝置容易受到?jīng)_擊等問題。