倪 飛

（晉能控股煤業(yè)有限公司青磁窯煤礦， 山西 大同 037000）

引言

在摩擦提升機(jī)中，滑繩保護(hù)裝置扮演著非常重要的角色，通常保護(hù)保護(hù)礦井安全生產(chǎn)應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)滑動(dòng)趨勢(shì)起著非常大的作用。滑繩事故的原因有很多諸如鋼絲繩與摩擦襯墊的摩擦導(dǎo)致摩擦因數(shù)下降，制動(dòng)力矩超標(biāo)等。為了能夠更好地保障提升機(jī)的可靠性，以西門子57-1200 PLC 為核心設(shè)計(jì)了一種滑繩保護(hù)系統(tǒng)。由于力具有可傳性，因此可以將借助PLC 系統(tǒng)同步測(cè)量鋼絲繩對(duì)摩擦襯墊的壓力以及相應(yīng)的脈沖輸出。當(dāng)處于允許的滑動(dòng)極限內(nèi)時(shí)，通?？梢越柚：刂茩C(jī)制對(duì)帶載提升機(jī)進(jìn)行可靠制動(dòng)。

1 摩擦提升機(jī)滑繩保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1 表示相應(yīng)的摩擦提升機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。工作過程如下所示：在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)鋼絲繩，有鋼絲繩提供牽引力，將動(dòng)力傳遞給摩擦輪襯墊，在與鋼絲繩的摩擦下實(shí)現(xiàn)提升容器的升降。

圖1 表示相應(yīng)的摩擦提升機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為了能夠有效地提高提升機(jī)的可靠性，對(duì)提升機(jī)的滑動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，與此同時(shí)對(duì)天輪與摩擦輪的主軸編碼器輸出脈沖進(jìn)行通不處理。假如監(jiān)測(cè)到的脈沖數(shù)量存在較大的差異性，并且相對(duì)位移超過了允許值，那么機(jī)械手將鋼絲繩直接抱緊。

為了能夠更好地優(yōu)化滑繩系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的主控回路與輔助控制回路雙閉環(huán)優(yōu)化方案。

圖2 滑繩保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化方案

對(duì)于主控回路而言，選用傳統(tǒng)的滑繩保護(hù)裝置，以天輪以及摩擦輪主軸編碼器所反饋的脈沖數(shù)為基礎(chǔ)，借助控制器辨識(shí)給定的△x 下，相應(yīng)的脈沖序列線速度偏移量用△x 表示，這樣可以從檢測(cè)到鋼絲繩的滑移位移xAC；將該數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值xPC進(jìn)行對(duì)比，假如滑移位移超過了該數(shù)值后，那么相應(yīng)的電控液壓閥將會(huì)得電，從而向機(jī)械手發(fā)出指令將抱緊鋼絲繩，從而可以避免出現(xiàn)滑繩事故問題。

為了防止提升機(jī)產(chǎn)生滑繩問題，通常可以在摩擦輪襯墊與主軸輪轂之間設(shè)置應(yīng)變片壓力傳感器，這時(shí)選取測(cè)壓力pAC以及與之相應(yīng)的提升機(jī)輸出功率PAC等參數(shù)，將這些參數(shù)當(dāng)做輔助控制回路的反饋信號(hào)，與此同時(shí)需要借助控制器處理信號(hào)，最終可以給出功率變化量，壓力變化量pEE時(shí)變量△pEV以及相應(yīng)的△pEE。最終可以借助模糊控制程序在線處理反饋輸入的變化量以及相應(yīng)的時(shí)變化量，這樣可以依據(jù)負(fù)載變化情況，計(jì)算出允許的最大制動(dòng)扭矩[1]。

由此可以看出，主控回路可以為滑繩保護(hù)提供直接的保護(hù)。主要應(yīng)用于如下幾個(gè)方面：鋼絲繩與摩擦襯墊之間的摩擦因數(shù)相對(duì)較低的情況；超載或者制動(dòng)力過大的情況。而相應(yīng)的輔助控制回路作用在于可靠回路方面，在負(fù)載變化的情況下調(diào)整制動(dòng)力矩，從而可以最大限度地避免滑動(dòng)極限值[2]。

2 滑繩保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型與硬件設(shè)計(jì)

在PLC 選型的過程中，充分考慮滑繩保護(hù)以及安全制定的靈活性以及性價(jià)比，本設(shè)計(jì)選用57-300 PLC。 從功能角度進(jìn)行分析選用 CPU 1214CDC/DC/DC 為滑繩保護(hù)從站的控制器，如圖3所示。為了能夠滿足PROFIBUS-DP 的功能需要，在CPU1214C 擴(kuò)展了一個(gè)DP 從站單元CM 1242-5，這樣可以構(gòu)建一個(gè)從站提升機(jī)滑繩保護(hù)系統(tǒng)。

圖3 PLC 硬件原理圖

通過查閱相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，CPU 1214C 設(shè)置了如下幾個(gè)端口：2AI、14DI、10DQ。與此同時(shí)為了滿足液壓系統(tǒng)、聲光系統(tǒng)以及傳感器，設(shè)置了CPU 1214C 的物理端口，如表1 所示。主要涉及開關(guān)輸入量、輸入與輸出單元。其中CPU 1214C、SM 1231 能夠?qū)ο到y(tǒng)的油溫、泵電機(jī)溫度以及流量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)到數(shù)據(jù)后將其傳輸給CPU 控制器，經(jīng)過處理后將其傳輸給SM 1232 輸出調(diào)節(jié)伺服閥[3]。

表1 滑繩保護(hù)系統(tǒng)選型

通過分析滑繩保護(hù)裝置可以看出，當(dāng)主控回路處于工作狀態(tài)時(shí)，能夠?qū)⑿畔鬏斀o反饋輸入摩擦輪以及天輪主軸的編碼器。通過分析手冊(cè)可以看出，CPU 1214C 內(nèi)部設(shè)置了6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器，能夠?qū)蜗嗟陀?00 kHz 的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。由此可以看出，摩擦輪以及天輪設(shè)置的頻率應(yīng)小于100 kHz，圖4 表示24 VNPN 輸出的增量型編碼器，相應(yīng)得到每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)N=2 000 個(gè)。假如主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到了50 r/s，那么對(duì)應(yīng)的相應(yīng)頻率可以達(dá)到100 kHz。與此同時(shí)，編碼器與A、B、C 相與CPU 1214 進(jìn)行連接，其中C、A、B 相脈沖相差90°。從而可以正確地判斷天輪以及摩擦輪的方向。假如C 相輸出了零電位信號(hào)后，能夠精確地計(jì)算出△t 內(nèi)摩擦輪和天輪主軸編碼器脈沖輸出數(shù)N1和N2。

圖4 摩擦輪和天輪主軸編碼器的脈沖輸出接線圖

2.2 滑繩保護(hù)功能與軟件設(shè)計(jì)

主副雙閉環(huán)控制回路可以看出，滑繩抱緊系統(tǒng)包括如下幾個(gè)子程序：?jiǎn)?dòng)程序單元、主程序單元、應(yīng)用子程序。其中，在主程序中可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)調(diào)用如下單元：數(shù)據(jù)采集與處理單元、故障處理單元、通信控制單元、滑繩保護(hù)單元、安全制動(dòng)單元等，這樣可以實(shí)現(xiàn)分立單元的運(yùn)行。

通常在調(diào)用57-1200 PLC 控制程序的過程，必須將其設(shè)定在OB 100 啟動(dòng)程序塊以及相應(yīng)的OB1主程序塊中。其中，在對(duì)主程序進(jìn)行初始化的過程中，往往需要借助OB 100，與此同時(shí)為了能夠更好地保護(hù)滑繩，在系統(tǒng)中設(shè)定了終端服務(wù)入口。依據(jù)兩個(gè)裝置編碼器的輸出情況，當(dāng)觸發(fā)滑繩故障中斷，與此同時(shí)出現(xiàn)調(diào)用滑繩保護(hù)程序，以及開關(guān)量控制單元SM1223 輸出控制電控液壓閥以及液壓泵動(dòng)作，從而可以使得液壓驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)的機(jī)械手制動(dòng)副能夠抱緊鋼絲繩。為了能夠有效地防止出現(xiàn)滑繩現(xiàn)象，通常在OBl 中調(diào)用安全制動(dòng)子程序，依據(jù)相應(yīng)的模糊控制流程進(jìn)行控制，這樣可以借助SM1231 以及CM1242-5 檢查得到壓力信號(hào)PAA 以及相應(yīng)地提升機(jī)功率參數(shù)PAC。經(jīng)過處理后，進(jìn)而得到相應(yīng)的功率變化量，以安全制動(dòng)子程序?yàn)榛A(chǔ)，在借助模糊算法計(jì)算出滑動(dòng)極限允許的最大制動(dòng)力矩，接著將得到的數(shù)據(jù)傳輸給電液伺服電機(jī)，從而可以實(shí)現(xiàn)更好地控制提升機(jī)。

安全制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)選用緊急制動(dòng)的形式。在該軟件中，將反饋信號(hào)進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，在該軟件內(nèi)設(shè)置有5530 到27648 模擬信號(hào)，這樣可以與傳感器的4～20 mA 模擬量進(jìn)行匹配。接著對(duì)變化量以及時(shí)變量進(jìn)行計(jì)算，從而可以有效地處理輸入?yún)?shù)。隨機(jī)將5530 到27648 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成成為-5～+5 的模糊論域，為了能夠更好地進(jìn)行查詢，將在-5～+5 的數(shù)字與0～11 進(jìn)行匹配。這樣可以對(duì)模糊化的參數(shù)進(jìn)行判斷，假如超過設(shè)定值，那么將進(jìn)行模糊輸入。對(duì)查詢數(shù)據(jù)單元中的模糊規(guī)則進(jìn)行查詢，接著借助DA 轉(zhuǎn)換可以把模糊輸出的-27 648～+27 648 轉(zhuǎn)化與之對(duì)應(yīng)的-10～10 V 電信號(hào)，最終可以借助電液伺服閥以及相應(yīng)的液壓系統(tǒng)完成制動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了能夠有效地提高提升機(jī)制動(dòng)的可靠性，制定了滑繩保護(hù)系統(tǒng)，與此同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PLC 控制系統(tǒng)。該方案以S7-1200 PLC 核心，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制方式以及硬件結(jié)構(gòu)。其中選用主控制回路的形式對(duì)滑繩提供直接的保護(hù)，同時(shí)以摩擦輪以及相應(yīng)的滑繩位移位反饋基礎(chǔ)，選用液壓驅(qū)動(dòng)以及機(jī)械手制動(dòng)鋼絲繩。而相應(yīng)的輔助回路可以設(shè)定為模糊算法，這樣可以提高負(fù)載以及相應(yīng)的繩輪徑向壓力為反饋，能夠提供最大的制動(dòng)力矩。該系統(tǒng)可以大大提高提升機(jī)的可靠性，最大限度降低滑繩的事故率。