超声波传感器在矿井提升机减速段的应用

宋牛

摘 要：随着可编程控制器（PLC） 控制技术与超声波传感器技术的飞跃发展，使用超声波测距传感器作作为数据采集的手段，以PLC 作为系统控制核心，设计并开发了一种能能够对矿井提升机的速度进行恒定减速的系统单元，该单元有效地解决了传统提升机控制系统的减速在单元凸轮板制作困难、故障点多、减速度不稳定等方面的不足之处，从而极大优化了提升机在减速段减速的性能。本文着重介绍该单元提升机以恒定减速的速度给定控制硬件系统以及控制器控制数据的算法。

关键词：超声波传感器；矿井提升机；减速段

在煤矿企业进行煤矿的采挖生产过程中，矿井提升机是其中的重要设备，提升机运行时的稳定可靠性与安全性，直接关系到煤矿企业的采矿生产以及经济收益。现在很多矿井的提升机处在爬行段与减速段时对于速度的控制能力比较差，经常会发生在减速段提升机控制不稳定和停靠位置不够精准等现象，大大增加了提升系统的机械冲击力，使得系统的运行寿命减少，从而很大程度上使得系统的可靠性、稳定性与安全性降低了。

一、现有矿井提升系统的弊端

目前大多数实现矿井提升机减速段速度的方案为通过动杆连接深度指示器和提升机的主轴，通过安装有凸轮板的减速圆盘然后一起转动。当提升机到达减速段时，凸轮板就会压动自整角机，然后按照凸轮板的曲线进行转动，最终将自整角机的输出电压送给电气控制装置系统。该系统方案有下面几个缺点。（1）该种系统的提升机的减速主要是依靠凸轮板的外形进行控制，然而这样的凸轮板的外形都不规则，这就使得在对其的制作加工过程中工艺复杂，不容易加工。（2） 很明显，凸轮板与自整角机要进行物理接触，则就使得在使用过程中容易受到外界各种因素的干扰，从而影响输出电平的稳定性，从而导致在减速段的运行稳定性，造成对提升装置的物理冲击，增加了额外负荷。（3）由于自整角机的额定工作电压为110伏，因而需要单独的电源为其进行供电，这在某种程度上增加了外围器件与发生故障的因素，而且其输出的电压范围为交流0～50伏，需要通过将此交流电压变为直流信号才能提供给PLC控制芯片，另外其输出的电压的精度度不高。

二、利用超声波传感器的提升系统的设计方案

针对上述的这些缺点，现采用非接触式测量的超声波测距传感器，其额定电压小，不易受到外界因素的干扰，而且能够输出4～20mA的标准直流信号给PLC芯片，从而在提升机的减速段能够保证提升机的运行稳定与控制精度，有效保证了矿井的生产安全。

（一）利用超声波进行测距的基本原理。主要是在测量距离上利用超声波的反射原理。其反射原理如下： 由换能晶片产生并发射超声波出去后，波在传播的途中由于目标的阻挡作用进而产生反射波，然后反射波发射到换能晶片上，通过内部传感器等对超声波的发射时刻与到达时刻的时间进行插值计算，就非常容易的得两点之间的距离D：

D=c*（t/2）

其总，c代表空气中的超声波的速度；t则表示超声波在收发两点之间的时间差。

（二）减速段的提升机系统方案设计。本系统采用超声波发射原理测量距离方法，现利用可编程逻辑控制单元、超声波传感器以及变频器对减速段的提升机进行速度控制系统的相关设计，其系统原理概况框图如下所示：

如上图所示，矿井的提升机在到达停车位置的过程中，超声波测距传感其会为PLC的模数转换模块实时提供测量电流信号，PLC芯片将信号提取后经过减速曲线算法计算出减速段的提升机应当具有的速度信号，从而将此信号通过相关转换送给变频器，进而对电动机的速度进行控制。

（三）本系统中的硬件选型要求。（1）对超声波测距传感器的型号规格要求：选择的超声波测距传感器的输出电压要与

PLC芯片所需的的供电电压保持一致，并使得输出的电流信号的强度为4～20mA，这样对于传感器获得模拟量采集模块和电源的反馈信号较为有利。根据如上要求，现选取S18U1A超声波测距传感器。（2）对PLC及其扩展模块的选型要求：根据实际需要，现选取西门子公司的S7-300系列的芯片，具有标准的

CPU314，内置一个RS485接口；扩展输入输出口选择SM323，扩展模数转换模块需选SM331；扩展模数转换器选用SM332。

三、提升机减速段的减速曲线算法分析

把超声波测距传感器使用为测量模块，那么系统中用到的凸轮板就完全可以直接加工成三角形状，并把此凸轮板固定在深度指示器的减速圆盘上，并把超声波传感器的检测面设定为凸轮板的斜边，再将传感器安装固定在凸轮斜边右边的支架上。如图2所示：

为了满足《煤矿安全规程》中的相关规定要求，以及能够在井口处能够安全稳步停车，现对该系统中的减速曲线算法进行分析。假设提升机减速度为a，提升机的额定速度为v0，减速距离为s0，则有如下公式：

当提升机的额定速度一定的情况下，在满足上述不等式以及到达预定位置时的速度不超过2m/s的条件下，可对减速度a与减速距离s0进行修正。那么有满足如下函数式：

该控制系统的控制模块所需的数字量、速度以及位移之间有下面的关系：SM331的分辨率为12位，其相应数字量为0到4096；而超声波测距传感器S18UIA的输出的直流电流则为4至20mA，能够检测到的动态距离范围为30到300mm。通过上面的数据就能够把数字量与模拟量之间的关系表达出来为：

m=4096/（20～4），那么传感器所能检测到的距离与模拟量的关系可表示成n=（300～30）/（20～4）。如果按照检测距最大为300 mm来加工制造凸轮板，那么凸轮板的尺寸将会有非常大，这将会对深度指示器的结构产生较大影响，通过相应的测试试验，超声波检传感器所能测距的最佳动态范围可为30 到210 mm之间。

现规定提升机的额定速度为2.5m/s，停车时的速度为0，减速度为0.2m/s，则可算出减速位移为15.6m；按照SM331移动后的数字量与上述公式，有如下公式

进而PLC算出d0=（2560/2.5）*v，将此数据量送至SM332，然后SM332输出标准的电流控制信号控制变频器，从而最终实现对电机的运行速度进行有效控制。

在提升机减速段的系统中采用超声波测距传感器作为距离采集的手段，以西门子公司的PLC控制芯片为控制核心，开发出一套能够对提升机在减速段的速度进行有效、稳定的控制的单元系统，能够克服传统提升机控制系统在减速段的诸多缺陷，大大提高了提升机在减速段的性能。

参考文献：

[1] 李宝荣.矿井提升机PLC控制系统的研究[J] .科学之友.2011年11期

[2]何长中.矿井提升机智能信号显示与安全控制系统[J] .甘肃科技.2011年13期