矿井提升机重力下放自动控制系统设计与应用研究
时间：2023-02-08 15:00:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张志梅
（晋能控股煤业集团晋华宫矿大型设备科，山西 大同 037016）
煤炭作为人们生产生活所需的重要能源之一，是工业生产和日常生活正常运行的保障，近年来对其需求量逐年增加[1-2]。矿井提升机作为煤炭生产的关键设备，主要任务是运输煤炭、人员、器具等，其安全问题至关重要[3]。矿井提升机连续运行过程中，控制系统一旦出现故障，而运行维护人员又不能及时进行故障排除使其恢复正常时，提升机内的人员和货物将会面临被困井道中的情况，不仅无法及时到达指定的安全位置，还存在较大的安全隐患。因此，矿井提升机控制系统的工作可靠性引起人们的高度重视[4-6]。基于某煤炭企业服役中的矿井提升机控制系统现状，开展重力下放自动控制系统设计与应用研究工作，对于进一步提高矿井提升机的工作可靠性具有重要意义。
1.1 控制原理
矿井提升机重力下放控制系统工作过程中的责任是确保提升机下放运行过程中的安全可靠，当接收到操控指令之后，在确定安全回路已掉电的情况下，控制液压回路产生驱动力，实现货物提升或者下放动作。自动控制系统能够实时获取提升系统运行时的速度信息，将其与系统设定的目标速度进行比对，计算得出速度的偏差数值，据此输出控制纠偏指令，反馈至驱动系统进行速度调整，实现矿井提升机运行过程中速度的闭环控制和调整，确保提升系统的安全稳定运行。矿井提升机重力下放自动控制系统控制原理如图1所示。
1.2 结构设计
图1 控制原理示意图
基于矿井提升机控制系统原理，完成了自动控制系统的结构设计，图2给出了矿井提升机重力下放控制系统的结构框图。人机交互界面设计的目的是完成提升机现场调试和操作，信息数据的传输采用RS485完成，实现提升机提升系统各个阀件的状态、油压、速度等信息的实时显示与操控；
控制电路板负责提升机运行参数的实时监测与处理，也负责在规定的控制指令下控制各种阀件与提升机的运行速度；
被控对象主要是指自动控制系统中的各种阀件，通过控制被控对象的动作，包括控制提升系统速度的电液比例溢流阀、控制提升系统升降的换向阀等；
传感装置主要是指各类传感器件，涉及监测制动闸盘的温度传感器、监测主轴的速度传感器、监测盘式制动器油压的油压传感器等。
图2 重力下放系统结构框图
2.1 控制器确定
PLC作为工业控制领域内部使用较为广泛的控制器，得到了各界的认可，但是PLC控制因其顺序运作形式与主频率偏低导致实时性比较差，与此同时，PLC控制器的编程形式不适应于较为复杂的控制方法。因为PLC具有上述局限性，矿井提升机重力下放系统使用高性能的嵌入式处理系统，其核心部件是微处理器，能够实现读取执行相关指令以及与外界交换信息等操作。相较于传统的PLC控制器，微处理器具有强大的运算性能与较高的运行主频，极适合矿井提升机重力下放自动控制系统的设计与应用。
2.2 微处理器选型
微处理器选型需要考虑全面，包括具备所需的内部工具、高度的灵敏性与超低的功率消耗等。基于矿井提升机重力下放自动控制系统的设计需要与控制原理，选择ST公司开发的STM32系列中的MCU微处理器，具备性能好、性价比较高的特点，最终确定的微处理器型号为STM32F405RGT6，具有重力下放控制系统极度需要的超强数字信号处理性能。主频率数值为168 MHz，内核型号为ARM Cortex-M4，分别配置了1 024 kB的FLASH和192 kB的RAM，内置51个通用I/O接口，同时具有2个CAN总线和2个USB通信接口，具有很好的应用性能。
2.3 嵌入式电路板
矿用提升机嵌入式电路板是其自动控制系统实现控制功能的载体，也是自动控制系统的核心组成部分。嵌入式电路板工作性能的好坏，直接关系着提升机重力下放控制系统的工作性能和控制功能的可靠性，因此，要求嵌入式电路板具有快速响应、抗干扰性强及实用性高等条件。基于上述自动控制系统对嵌入式电路板设计的要求，完成了MCU最小系统以及其外围电路组成的设计，如图3所示。
3.1 主程序设计
图3 重力下放控制板结构
主程序作为提升机重力下放自动控制系统的重要组成部分，其工作流程如图4所示，由图4可以看出，当控制系统接收到启动控制指令时，首先进行提升系统状态检查，确定其是否存在故障、安全回路是否掉电等；
检查完毕进行系统自检测，确定系统运行状态是否良好，涉及控制系统是否有故障未排除、传感器的工作状态是否正常以及被控对象阀的阀位是否正常等。设备与控制系统均已检查完毕无问题之后，重力下放控制系统控制液压站供油，若存在问题，下放系统不能正常启动。重力下放系统启动之后，传感器实时采集提升机运行参数数据，经过处理分析之后确定提升机是否正常工作。控制系统采集的运行参数涉及提升机的运行速度和制动闸盘的温度，一旦出现闸盘温度过高，系统自动停止提升机；
同时当提升机运行速度异常，当速度处于0～1.2 m/s时，系统调用速度调整程序，通过调节电液比例溢流阀的输出量，及时调整盘式制动器的制动力矩实现调速；
当速度大于1.2 m/s时，系统会立即停车，防止出现危险。
图4 主程序控制流程
3.2 人机交互界面
图5 人机交互主界面
人机交互界面作为矿用提升机重力下放系统的重要组成，负责实时显示提升机运行过程中的温度、速度等状态参数，基于自动控制系统的硬件和软件设计，完成了人机交互主界面的设计，如图5所示。主要包括实时速度油压显示、记录查询和控制参数设置。屏幕左边为液压站监测显示，涉及液压阀件的状态等，当系统运行速度过大或制动温度过高时，主界面会给出报警提示；
主页面还包括核心数据区，实时显示提升系统的运作速度与工作油压；
主界面下部为参数设置和记录查询按钮，方便现场的技术人员对系统运行进行控制与历史状态查询。
为了验证矿用提升机重力下放自动控制系统设计的可行性，将其应用于某煤炭企业正在使用的矿井提升机中进行试运行，跟踪记录运行情况。结果表明，控制系统运行稳定可靠，满足最初的设计要求。统计结果显示，新设计的自动控制系统，提升了矿用提升机近8%的有效利用率，减少了近5%的故障排除时间，节约了1～2名运行维护人员，降低了煤炭生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益近60万元/年，取得了很好的应用效果。
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