李玉宁

（山西晋神能源有限公司，山西 河曲 036500）

无极绳绞车是井下利用钢丝绳双向牵引的连续运输设备。普通的无极绳绞车，大都采用手柄控制模式对运输速度进行控制。手柄控制存在精度低、监控手段匮乏、安全性低、驱动装置所受冲击力大等不足。为解决这一难题，设计了一种以PLC 逻辑编程单片机与PID 控制器为基础的自动化绞车液压驱动控制系统，增强了无极绳绞车的安全性，降低了绞车的操控难度。

1 JKY 绞车控制系统原理

井下无极绳绞车操控时，操控工人手动对绞车变量泵（ZBS-H915）的转子偏心度进行操控，从而调节变量泵体的流量值，控制绞车运行状态下的速度变化。液压绞车控制系统见图1。控制系统设计属于无反馈系统设计，所以绞车操控工人要不断地手动操作使绞车运行速度处于正常状态。由于没有反馈和显示系统，所以绞车运行时的速度、平稳度和准确性无法进行精细化调节，仅依赖于操控者的经验，存在不足。

图1 JKY 绞车控制系统示意图

2 绞车液压自动控制系统设计

2.1 自动控制原理

绞车工作状态共有三种：绞车下放、上提和停止制动。在控制系统中，单片机可以通过控制手柄所处的状态以及其输入信号的大小来判断绞车的运行状况，同时做出与控制手柄同步的响应，图2 是绞车具体的响应流程图。

控制手柄处于上推状态时，无极绳绞车可对相关设备和材料进行提升。上推程度越高，绞车提升速度越快。这时控制系统中的三位四通电磁阀的运行状态位于左侧，而两位四通电磁阀的运行状态位于右侧，且两位两通电磁阀此时处于工作状态，以控制绞车制动器松闸。绞车上提时，驱动电机带动钢丝绳正转，带动设备、材料提升。控制系统中的PID 控制设备和PLC 逻辑编程单片机通过监测手柄上推程度，与预置程序进行比较，输出既定信号控制电机转速，通过绞车卷筒的传动进行速度控制。

图2 绞车响应流程图

当控制手柄处于下推状态，可控制绞车向下运动。则上述三位四通电磁阀、两位四通电磁阀和两位两通电磁阀所处的位置与绞车提升时相反，即电磁阀分别位于右侧、左侧和关闭状态。经过1.5s 的预置时间后，两位两通电磁阀打开，绞车液压制动器松闸，制动停止，驱动电机开始反转，向下运动。此时控制系统中的PID 控制器和PLC 逻辑编程单片机通过监测手柄下推程度，与预置程序进行比较，输出既定信号控制电机转速，通过绞车卷筒的传动进行速度控制。

当控制手柄处于未动作状态时，无极绳绞车停止运动。此时控制设备和单片机监测到手柄位置后按照预置程序，将绞车卷筒转速降至0，同时控制液压系统制动装置，使其制动。当绞车遇到紧急情况需要制动时，可手动拉起制动杆，使绞车卷筒停转，以达到紧急制动目的。

2.2 速度自动控制分析

2.2.1 转速区间控制分割

绞车手柄受到操控时，控制系统发出信号，通过模数转换后数据被PLC 逻辑编程单片机读取，并对比传感器所监测的驱动电机转速，取差值△w。此时，控制手柄指示方向和电机的旋转方向相同，则此时的△w绝对值除以20 r/min，得到目标转速。先将目标转速取整，记为i，然后将目标转速分为（i+1）个区间转速，将前i 个区间目标转速的控制时长定为1s。如果△w值是正数，则在前i个区间电机转速均增加20 r/min，并保持至第i区间结束。在第i 区间结束后，此时目标转速将和控制手柄控制的转速一致；如果△w为负时，在前i个区间，将每个区间的驱动电机转速减少20 r/min，并保持至第i区间结束，结束后，此时目标转速将和控制手柄所调整的转速一致。

当控制手柄指示的方向和此时电机的旋转方向相反时，对目标转速的实现将分为两个阶段：第一个阶段需要将目标转速调整为0，然后对当前驱动电机的旋转速度取差，求取△w值，然后将目标转速区间分割；第二个阶段将目标转速调整为控制手柄指示的速度，然后与0 转速取差求△w值，再将目标转速区间分割。

2.2.2 PID 速度控制

控制系统中的PLC 逻辑编程单片机对控制手柄指示的目标转速度区间分割后，每一个速度区间内，单片机将目标转速分割值转化为目标转速，并与驱动电机角速度传感器监测的电机旋转速度进行对比，计算旋转速度和当前区间目标转速之差。差值经过数模转换后，模拟信号传输至PID 控制器中，将电机转速调整至目标转速。通过（i+1）个区间的调速后，电机转速就调整为控制手柄的指示速度，完成了对无极绳绞车运行速度的精确控制。

3 模拟试验

3.1 试验模型建立

本次采用AMEsim 软件对设计的控制系统进行仿真模拟测试，使用AMEsim 软件对液压系统进行模拟控制。模拟时设置PID 参数，设定K1为60，Kp为1400，KD 为1100，设置绞车驱动电机的最大拉力值为500kg，模拟转速设置为0 r/min～ -40 r/min和-50 r/min～0 r/min 等，观测在此情况下绞车驱动电机的响应反馈和转速控制情况。模拟时间开始设为0 s ，数据采集间隔设置为0.01s，模拟总时间分别为6 s、24 s。

3.2 模拟结果分析

当控制手柄指示目标转速设置为-40 r/min 时，绞车驱动电机的转速从0 r/min 至-40 r/min 的响应曲线见图3。当控制手柄指示目标转速设置为0 r/min时，绞车驱动电机转速从-50 r/min 降至0 r/min 的响应曲线见图4。

由图3 可以看出，在驱动电机转速由0 r/min至-40 r/min 的过程中，制动闸启动时间延迟了1.5 s。在速度下降的整个过程中，旋转速度未发现有较大波动。速度调整总共耗时3.6 s，绞车驱动电机的最终旋转速率保持于-39.60 r/min，比目标值-40 r/min减小了0.40 r/min，在允许误差1 r/min 范围内。

图3 -40～0 r/min 旋转速度响应曲线

图4 -50～0 r/min 旋转速度响应曲线

由图4 中知，在绞车驱动电机转速由-50 r/min变为0 r/min 的过程中，PLC 逻辑编程单片机将指示的目标转速调整分为了3 个阶段，即转速从-50 r/min至-30 r/min、从-30r/min 至-10 r/min 和转速从-10 r/min 至0 r/min 三部分。PID 控制器调整转速-50 r/min至-30 r/min 阶段总耗时1s，-30 r/min 至-10 r/min 阶段总耗时1 s，-10 r/min 至0 r/min 阶段总耗时4 s。在整个绞车驱动电机转速调整的过程中，未发现绞车运行速度出现大幅变化，运行状态正常。结果表明本次设计的控制系统达到了运行要求。

4 结语

基于PLC 逻辑编程单片机以及PID 控制器的无极绳绞车液压驱动控制系统的设计，可以实现无极绳绞车的平稳运行。在对绞车控制手柄进行操控后，PLC 单片机首先对绞车运行状态进行判断，然后对各液压阀进行控制，同时进行目标速度分割，最后通过PID 控制器对绞车的驱动电机转速进行控制，完成绞车运转速度调整。本次采用AMEsim 仿真模拟平台对设计的液压控制系统进行了测试，结果表明，设计的液压自动控制系统可以起到绞车运转速度平稳调节的作用。本次设计提高了无极绳绞车自动控制水平，有效解决了以往绞车速度控制不稳定的问题。