矿用提升机减速转换装置控制技术分析

＊周 慧

（晋能控股煤业集团同家梁矿 山西 037025）

1.制动系统技术指标的相关要求

《煤矿安全规程》制定了煤矿提升机的相关技术指标，可以有效保障提升机的运行更具可靠性及安全性。

（1）处于安全制动的提升机，要确保Mj静负荷最大力矩要低于三倍的Mz制动力矩。公式如下：

其中，静负荷的系统最大力矩用Mj表示，制动力矩用Mz表示。

（2）内置盘式制动器的提升机，其空动时间要低于0.3s。

（3）煤矿提升机计算安全制动的减速度公式如下：

其中，井巷倾角用θ表示，阻力运行系数用f表示，自然减速度用Ac表示，重力加速度用g表示。

表1的技术指标要求，是煤矿提升机设置的详细安全制动减速度数据。

表1 煤矿提升机安全制动减速度技术要求

2.控制系统

减速转换系统由：截止阀和单向阀以及二位二、三、四通换向阀还有电液比例溢流阀，储能器和溢流器以及精过滤器还有压力变送器，压力表和制动液压原二级系统等组成，具体见图1。

图1 煤矿提升机恒力矩—恒减速转换装置液压系统设计

实时监测安全回路是控制系统减速转换的主要工作，当掉电情况发生在安全回路时，几个换向阀与电液比例控制溢流阀相互配合，闭环控制系统调整恒力矩的制动方式为恒减速。图2是具体原理图。

图2 煤矿提升机减速转换装置控制系统工作原理

硬件系统包括四部分：管理层和控制层以及设备层，还有传感器。（1）管理层：触摸屏可以监测提升机的每个阀和制动系统状态，以及实时查看盘式制动器的制动减速度还有运动位置和油压显示等，可以实现故障报警并记录报警信息，除此之外，还可以设定所需参数。（2）控制层：核心是PLC，本文选用的控制器PLC型号是S7-300，可以实时处理并采集数据，调整、控制溢流阀电液比例的输出量随采集数据而定，还可监测提升机每时刻的运动状态，管理层结合逻辑，完成通信。（3）设备层：是系统执行的主要部位，包括储能器和溢流阀以及换向阀。可以将提升机的恒力矩制动方式更换为恒减速模式。（4）传感器：系统采集物理量的单元，帮助控制层接收物理量。光电编码器以及压力变送器都是常用的两种传感器，作用分别是：监测盘闸油压和储能器油压。控制系统详细的硬件构架见图3。

图3 煤矿提升机减速转换装置控制系统硬件构架

3.设计软件系统

初始化程序和循环中断程序以及主程序组成了软件系统。主程序包括：信号灯外部数据读取子程序和快速回油子程序，数据处理和判断故障及报警，恒减速与恒力矩相互转换的程序。

图4 PLC主程序控制流程图

（1）停车点/解除二级制动点：处于当前模式时，制动距离要满足规定，所以无法实现恒减速实时制动。

（2）位移运算、速度子程序：提升机的速度和位移是该子程序的主要工作，主要依据光电编码器数据块中保存的脉冲数及脉冲频率，提升机最终完成速度及位移的设置。

（3）外部数据读取子程序：PLC指挥子程序调用数据块，里面保存了光电编码器输出的以下数据：开关量及油压传感器输出的不同信号，脉冲数还有脉冲频率。

（4）快速回油子程序：提升机是零速运行时，系统监测后会实时开启此项子程序，迅速降低系统油压至0，使静力矩保持制动力矩的三分之一，以此减少溜车事故。

（5）报警及判断故障子程序：可以检测电磁换向阀和电液比例溢流阀以及过滤器的状态，及时掌握故障点。

4.设计硬件系统

（1）传输信号系统。传输电信号为了减少周围噪声和耦合的电信号以及电源的干扰，本文针对隔离电路进行了设计。在传输信号时主要需用到信号隔离模块与光电隔离模块，其中信号隔离模块把模拟信号经半导体变换输入信号，利用磁感元件完成隔离，解调后转换回以前信号；光电隔离模块把数字量经二极管变换电信号为光信号，PLC不直接联系控制器，由控制系统直接接收，减少了现场环境的干扰通道。

（2）设计PLC系统。设计系统的输入信号和输出信号，要严格依据系统需要的采集信号及控制设备，具体设计是：①输入信号：两个压力变送器和一个高速脉冲信号（光电编码器输入）以及电磁换向阀的四个电源故障监控，掉电安全回路信号和监控电源信号以及停车信号和减速点信号，主备电液比例溢流阀的电源和故障输出以及压力输入模拟量信号的不同监测，还有过滤器故障和二级制动解除点的信号。②输出信号：控制电液两个输出模拟量信号（比例溢流阀）和四个电磁换向控制阀的动作信号，电源和故障两个指示灯。

本文采用的通信方式是：多点接口以及工业现场总线和以太网等。PLC通信HMI靠工业以太网完成，优点是通信速率强，能达到100Mb/s的最高带速，须另加通信模块一个，支持协议TCP/IP，型号是CP343-1Learn，包含：接口有SEND/RECEIVE和FETCH/WRITE，设备PROFI-NETIO，带RFC1006的TCP和不带RFC的UDP，IP多播和交换机二端口等。设置HMI的通信模块及接口PROFINET要依靠组态软件。

电源模块，PLC用的是25W低功耗的PS307-2A。

5.设计人机界面

上位机包含三个部分：工控机和工作站以及触摸屏，具备以下功能：显示提升机的运行情况和故障报警，提升机指示制动方式和设置控制参数等。本文采用的智能面板是TP900Comfort，可以融合控制器SI-MATIC并诊断系统。

6.结语

本文按照煤矿提升机相关的技术参数，研究了控制系统的功能，了解了工作原理，设计了新的液压系统，将煤矿提升机加装恒力矩与恒减速互相转换的装置，优化了制动系统；优化了软件系统，主程序包括：报警和故障判断，恒力矩与恒减速之间的相互转换还有快速回油子程序等；重新设计了人机界面，主要功能有：设置参数和故障信息以及工作指示，切换主/备溢流阀和监视提升机的运行情况等；最后发现，PLC系统的型号选择，要依据系统需要的采集信号及控制设备，最终制定了隔离模块。