孫琦崢

（沁源縣應(yīng)急管理局， 山西 長(zhǎng)治 046500）

引言

隨著煤礦開(kāi)采業(yè)的不斷發(fā)展，開(kāi)采作業(yè)環(huán)境日趨復(fù)雜，多變坡、大傾角等危險(xiǎn)系數(shù)較大的巷道成為煤炭企業(yè)生產(chǎn)的主流巷道，煤炭運(yùn)輸安全越來(lái)越受重視。無(wú)極繩絞車(chē)所控制的礦車(chē)在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)因軌道的影響而產(chǎn)生顛簸現(xiàn)象，礦車(chē)會(huì)在垂直方向發(fā)生小幅度位移與碰撞，使得礦車(chē)的安全系數(shù)大大降低[1]。

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文擬通過(guò)運(yùn)用基于位置的阻抗控制原理，通過(guò)調(diào)整礦車(chē)與軌道的實(shí)際作用力設(shè)計(jì)出一套礦車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)，并依據(jù)礦車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)，合理控制礦車(chē)運(yùn)行速度，提升無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)安全系數(shù)。

1 無(wú)極繩運(yùn)輸?shù)V車(chē)設(shè)計(jì)研究

傳統(tǒng)的無(wú)極繩運(yùn)輸?shù)V車(chē)所采用的制動(dòng)主要來(lái)自于無(wú)極繩絞車(chē)通過(guò)卷筒對(duì)鋼絲繩長(zhǎng)度控制來(lái)進(jìn)行，該制動(dòng)方法會(huì)使礦車(chē)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生垂直方向的位移與碰撞力，影響礦車(chē)安全。如果調(diào)小運(yùn)行速度，會(huì)影響礦車(chē)運(yùn)輸效率，速度過(guò)大，礦車(chē)風(fēng)險(xiǎn)性會(huì)增大[2]。本文擬運(yùn)用阻抗控制原理對(duì)礦車(chē)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，改善礦車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。

阻抗控制分為基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制兩種方式。由于基于力的阻抗控制對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型與礦車(chē)運(yùn)行環(huán)境較為敏感，不適用于無(wú)極繩運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，故本文采用基于位置的阻抗控制系統(tǒng)[3-5]。基于位置的阻抗控制系統(tǒng)是運(yùn)用位置控制的方法進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制，將阻抗控制器安裝于位置控制器外實(shí)現(xiàn)控制的。在礦車(chē)運(yùn)行時(shí)，礦車(chē)與軌道之間會(huì)產(chǎn)生作用力F，力傳感器會(huì)對(duì)作用力F 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，阻抗控制器對(duì)位置變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)作用力F 發(fā)生變化時(shí)，阻抗控制器會(huì)對(duì)礦車(chē)位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而保證礦車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 基于位置的阻抗控制結(jié)構(gòu)示意圖

2 無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 DSP 控制硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)改進(jìn)礦車(chē)的有效控制，傳統(tǒng)的無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)已無(wú)法適應(yīng)。運(yùn)輸控制是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，需要通過(guò)精密的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)輸系統(tǒng)控制的主要目的是提升無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)的安全性。經(jīng)綜合分析發(fā)現(xiàn)，TI 公司的DSP芯片可作為無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)的核心控制元件，符合實(shí)際使用要求。

DSP 控制主要是通過(guò)力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的，由A/D 進(jìn)行電路測(cè)量采樣，可測(cè)量礦車(chē)自身重力與礦車(chē)、軌道作用力合力值，然后將數(shù)據(jù)傳輸給DSP芯片。通過(guò)外置編碼器可測(cè)量出兩組數(shù)據(jù)，運(yùn)用平均值法即可算出礦車(chē)的平均運(yùn)行速度，同樣傳輸給芯片。芯片依據(jù)平均運(yùn)行速度與作用力合力值通過(guò)芯片算法即可計(jì)算出礦車(chē)所需的控制速度，將該數(shù)值輸入事件管理模塊即可通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制礦車(chē)運(yùn)行速度。

2.2 運(yùn)輸制動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 控制流程分析

運(yùn)輸制動(dòng)系統(tǒng)主要是通過(guò)控制手壓泵調(diào)整制動(dòng)缸的加壓強(qiáng)度，從而控制蝶形彈簧長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行制動(dòng)力大小控制的。運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，PLC 會(huì)依據(jù)傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行礦車(chē)運(yùn)行速度運(yùn)算。當(dāng)計(jì)算結(jié)果超出設(shè)定運(yùn)行速度時(shí)，PLC 會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，在警示燈亮起的同時(shí)啟動(dòng)電控閥，電控閥將依據(jù)信號(hào)對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行卸壓，當(dāng)制動(dòng)缸內(nèi)的壓力油回流油箱后，蝶形彈簧就會(huì)變長(zhǎng)，使得礦車(chē)閘片可與軌道接觸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果。其制動(dòng)流程示意圖如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)流程示意圖

2.2.2 測(cè)速裝置設(shè)計(jì)

本文的測(cè)速裝置主要運(yùn)用霍爾傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)的采集點(diǎn)設(shè)定在車(chē)輪內(nèi)側(cè)。當(dāng)?shù)V車(chē)開(kāi)始運(yùn)行后，固定于車(chē)輪中間圓盤(pán)的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)交替導(dǎo)通，通過(guò)后續(xù)信號(hào)處理后可得到相應(yīng)的脈沖信號(hào)，從而換算出礦車(chē)車(chē)輪的實(shí)際運(yùn)行速度。本文擬在車(chē)輪上設(shè)定8 個(gè)均勻分布在圓盤(pán)周?chē)拇盆F，通過(guò)實(shí)際測(cè)量可知，礦車(chē)車(chē)輪周長(zhǎng)為0.35π，實(shí)際運(yùn)輸制動(dòng)速度為1.38 m/s，則制動(dòng)轉(zhuǎn)速為0.79 r/s，頻率為10.05 Hz。因此，當(dāng)PLC 所接受的制動(dòng)頻率達(dá)到10.05 Hz 以上，制動(dòng)系統(tǒng)才進(jìn)行制動(dòng)。

2.2.2.1 發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

本文的發(fā)射裝置選取Micrel 公司的MCIRF102發(fā)射器，該發(fā)射器具有幅度鍵控功能，調(diào)幅強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)還有集成度高、外部元件使用少、操作使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一款高穩(wěn)定性、高性價(jià)比的產(chǎn)品。其具體參數(shù)如表1 所示。

表1 MCIRF102 發(fā)射器工作參數(shù)表

依據(jù)發(fā)射器的工作參數(shù)可對(duì)振蕩器進(jìn)行選擇，外置振蕩器頻率計(jì)算公式如下：

式中：FT為發(fā)射頻率，MHz；FR為外置振蕩器頻率，MHz。

依據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，發(fā)射頻率通常選擇315 MHz，代入式（1）后可得，外置振蕩器頻率為9.843 MHz，外置振蕩器頻率由晶振發(fā)生，其等效串聯(lián)電阻應(yīng)小于20 Ω。

2.2.2.2 無(wú)線接收裝置設(shè)計(jì)

無(wú)線接收裝置選用Micrel 公司的MICRF007 單片接收器，采用QwikRadio TM 技術(shù)，無(wú)須手工調(diào)諧，適用于無(wú)線接收。MICRF007 接收的具體工作參數(shù)如表2 所示。

表2 MICRF007 接收器工作參數(shù)表

MICRF007 接收器為超外差接收器，其內(nèi)部本振頻率與發(fā)射器的發(fā)射頻率的差值應(yīng)為中頻IF 中心頻率，內(nèi)部本振頻率的計(jì)算公式如下：

式中：FL為內(nèi)部本振頻率，MHz；FT為發(fā)射器的發(fā)射頻率，MHz。

對(duì)于任意發(fā)射器的發(fā)射頻率會(huì)存在下邊帶混頻與上邊帶混頻兩個(gè)內(nèi)部本振頻率，當(dāng)選擇確定的內(nèi)部本振頻率數(shù)值后，由公式（3）可計(jì)算出基準(zhǔn)振蕩器頻率：

式中：Ft為基準(zhǔn)振蕩器頻率，MHz；FL為內(nèi)部本振頻率，MHz。

由于接收發(fā)射器的發(fā)射頻率數(shù)值為315 MHz，代入式（2）計(jì)算，并通過(guò)查詢常用振蕩器頻率表后可以得出，晶振的選擇為4.8970 MHz。

3 系統(tǒng)測(cè)試

按上述設(shè)計(jì)組成無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)并進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，無(wú)極繩運(yùn)輸?shù)V車(chē)可依據(jù)運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整礦車(chē)與軌道作用力，調(diào)整礦車(chē)運(yùn)行速度，保證礦車(chē)安全平穩(wěn)運(yùn)行，并經(jīng)500 h 測(cè)試后無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)無(wú)任何故障發(fā)生，因此可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。

4 結(jié)論

隨著煤礦開(kāi)采業(yè)的不斷發(fā)展，輔助運(yùn)輸在日常生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要。大傾角、多變坡等危險(xiǎn)系數(shù)較大巷道的出現(xiàn)，使得無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)安全問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。本文通過(guò)對(duì)無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得出了以下結(jié)論：

1）運(yùn)用阻抗原理設(shè)計(jì)出無(wú)極繩運(yùn)輸?shù)V車(chē)自適應(yīng)控制方案，礦車(chē)可依據(jù)運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整礦車(chē)與軌道作用力與速度，保證礦車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2）針對(duì)無(wú)極繩運(yùn)輸?shù)V車(chē)自適應(yīng)控制方案設(shè)計(jì)出相應(yīng)的無(wú)極繩絞車(chē)運(yùn)輸控制系統(tǒng)，完美匹配了礦車(chē)自適應(yīng)方案，并對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，無(wú)極繩運(yùn)輸?shù)V車(chē)運(yùn)行安全平穩(wěn)，運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)且500h 內(nèi)無(wú)故障發(fā)生。