摩擦式提升机制动力矩闭环调节方案研究与设计

齐卫东 赵 强 张 浩

(1.枣庄矿业集团公司蒋庄煤矿，山东省滕州市，277519；2.枣庄矿业集团公司供电工程处，山东省薛城市，277000)

摩擦式提升机属于典型的位能负荷性旋转机械，一般选用事故安全型的盘式制动闸作为其制动执行机构。目前，国内一些煤矿主井提升机实现了自动化控制，但仍需要操作人员现场监控，副井提升机还没有实现自动化提升。无论是实现自动化控制的提升机，还是人工操作的提升机，都会出现因机械状态不完好、数据参数调整不当、局部部件失效的情况下提升机停车位置不准确、启动过程中倒车等现象，甚至出现提升机重载下放事故。究其原因，主要是制动力矩闭环调节数据单纯取自实际速度和给定速度的差值信号，同时采用时间延迟逻辑的开环控制模式，未能和电磁转矩、提升负荷旋转力矩、提升方向等参数形成一套完整的闭环控制系统。采用具有综合闭环调节功能的制动力矩调节方案，是保障摩擦式提升机安全运行的关键技术。

1 摩擦式提升机制动系统控制方案现状分析

在摩擦式提升机电气控制系统中，可调闸是制动系统的关键组成部分。其基本经历了两个阶段，一个阶段是以磁放大器为控制核心的模拟量控制系统，另一个阶段是以可编程控制器为控制核心的数字量控制系统。两种控制模式在逻辑上相同，只是后者用数字化参量代替了早期的模拟化参量，计算机程序取代了继电器系统逻辑关系，目前在控制方案上具有一致性。

1.1 提升机操作方式分析

摩擦式提升机在人工操作控制模式下，司机收到开车信号后，根据信号点数来判断提升方向，然后向前或向后推出主令开关决定正反向提升。主令开关一般采用接点式开关或两相光电编码器，依靠接点式开关接点组合或两相光电编码器分区计数量控制加速等级。主令开关推出，提升机通电对钢丝绳短暂紧绳后，然后推出可调闸开关。可调闸开关一般采用自整角机、滑线电阻或两相光电编码器，自整角机输出电流、滑线电阻分压电压或两相光电编码器计数量决定了液压站压力，调整盘式制动闸蝶形弹簧压缩状态调节制动力矩。若司机操作配合不好，会出现提升机倒车、停车不稳、反转或者重载下放事故，方向记忆保护容易被复位，失去方向记忆作用。同样在自动化控制模式下，也会出现提升机倒车、停车不稳、反转或者重载下放事故。

1.2 可调闸放大器控制方案分析

可调闸开关在全制动位置安装零位检测开关，一旦可调闸开关手柄推出零位，零位检测开关立即闭合，可调闸放大器上电，同时可调闸放大器加载提升机速度给定和速度测量信号。可调闸开关手柄推出角度越大，可调闸放大器输出信号幅值就越大，直至达到设定的最大值。当提升机速度测量信号大于速度给定信号时，可调闸输出信号按比例减小，调节制动系统制动力矩。在提升机错向保护下，可调闸放大器断电，输出信号回零。随着可调闸开关手柄的拉回，可调闸放大器输出信号按比例减小。可调闸放大器输出信号可控制液压站电液调压装置，调节液压油压力变化，平衡盘式制动闸蝶形弹簧压缩状态，可产生不同的制动力矩。

1.3 可调闸回路安全可靠性分析

提升机在启动、运行、停车过程中，制动力矩调控与电磁正负转矩依靠时间延迟匹配，处于开环状态下运行，除错向保护动作产生紧急停车状态外，提升机在司机操作失误、机械状态不完好、数据参数调整不当、局部部件失效的情况下，会出现提升机停车位置不准确、启动过程倒车，甚至出现重载下放事故。错向保护也容易被司机复位，失去方向记忆作用，尤其在重载提升与提升机运行方向相反时，更易造成加速滑绳、重载下放事故，可靠性不高，有些煤矿主提升机发生过此类事故。

2 摩擦式提升机制动力矩闭环方案设计

对提升机制动力矩、电磁转矩、负荷旋转力矩、提升方向等参数进行综合分析计算，实现制动力矩闭环调控，保障提升机制动力矩始终与运转状况相适应，是解决提升机运行、停车、启动过程中倒车、停车不可靠、重载下放等事故的技术关键。

2.1 可调闸闭环调节方案硬件组成

可调闸闭环调节方案中，硬件主要有可调闸放大器、电磁转矩检测、提升信号检测、提升速度检测、提升负荷检测、制动压力检测、提升方向检测等装置组成，硬件组成如图1所示。

图1 可调闸闭环调节方案硬件组成图

电磁转矩检测由DSP数字信号处理器、电压电流互感器、采样保持电路等器件组成，主要作用是完成提升机电动机电磁转矩的取样计算；提升信号检测由S7-300可编程控制器数字量输入模块组成，主要作用是采集提升信号点数，判断提升方向；提升速度检测由两相光电编码器、S7-300可编程控制器高速计数模块组成，主要作用是换算提升机运行速度，同步换算提升行程；提升负荷检测由压力传感器、多路开关、单片机、无线发射器、无线接收器、数据处理器等组成，主要作用是实时采集提升钢丝绳绳端负荷，计算提升负荷旋转力矩；制动压力检测由液压传感器完成，安装在液压站油管路出口处；提升方向检测主要由S7-300可编程控制器数字量输入模块或相序鉴别器组成，通过读取摩擦式提升机换向接触器的合闸状态或鉴别输入电动机定子的电压相序，判断摩擦式提升机实际的送电方向，以开关量形式发送给可调闸放大器；可调闸放大器由S7-300可编程控制器、MP370触摸屏等电气元件组成。

2.2 可调闸闭环调节方案原理

可调闸放大器对提升信号、行程、速度、负荷旋转力矩、方向和电磁转矩综合分析计算，在各种工况下实时对制动力矩调整，同时反馈调整电磁转矩。提升重载启动过程中，在电磁转矩大于负荷旋转力矩的条件下，按照给定曲线加速，同时慢速解除制动，否则施加制动力矩，避免提升重载启动时倒车。下放重载启动过程中，在电磁转矩小于负荷旋转力矩的条件下，按照给定曲线加速，同时慢速解除制动，否则施加制动力矩，避免下放重载启动时过速。在提升重载、下放重载运行过程中，实时对比电磁转矩(下放重载时为负电磁力矩，提升机向电网回馈电能或向电阻设备耗能)与负荷旋转力矩差值，通过调节制动转矩，控制提升机运行于给定速度下，保证提升机平稳可靠运行。在提升重载、下放重载停车过程中，实时调节盘式制动闸间隙，在盘式制动闸贴闸状态下停车，实现提升重载停车时不倒车、给定速度下下放重载停车时不过位。

2.3 可调闸闭环调节流程图

可调闸放大器送电后，首先进行初始化，调用主程序和分支程序，扫描各个数据单元赋值情况并进行运算，一旦有开车信号输入，可调闸放大器立即调用提升负荷旋转力矩数据单元，在提升负荷旋转力矩数据单元提供有效数据的条件下，可调闸放大器向液压站和提升机电控系统输出启动信号，同时判断电磁转矩与提升负荷旋转力矩差值和判断提升方向，如果启动过程正常，可调闸放大器则进入运行过程、停车过程的闭环调节过程。无论启动、运行过程，还是停车过程，一旦可调闸放大器计算出提升机工况不正常，则分别向提升机电控系统和液压站发出失电和抱闸信号，实现提升机安全可靠制动停车。可调闸自动调节流程如图2所示。

图2 可调闸自动调节流程图

3 结语

目前，国内煤矿副井摩擦式提升机还未实现自动化控制，主要制约因素在于制动力矩未能与负荷转矩、电磁转矩、提升方向等参数形成一套完整的闭环调节系统，实现自动化控制的主井提升机也仅靠各环节间时间延迟关系实现，可靠性不高。综合摩擦式提升机运行工况，实时检测位能负载转矩和电磁转矩，跟踪位能负载转矩和电磁转矩差值运算结果，采用实现闭环控制的柔性制动系统，无论在自动化提升模式中，还是在人工操作的模式上，都是保障摩擦式提升机安全可靠运行的关键技术。