张 强

(晋能控股煤业集团机电设备中心，山西 大同 037000)

0 引 言

矿用提升机是煤矿开采的重要机械设备，随着机械技术的发展和智慧矿山理念的提出，矿用提升机的复杂程度越来越高，可靠性和功能性也越来越强。提升机的液压制动对提升机的运行至关重要，控制核心电液阀的数量和控制逻辑决定了液压制动的有效性，对于液压制动电控系统而言，不仅需要控制液压制动系统中的电机和电液阀的动作来实现液压站压力变动，进而实现提升机制动，同时还要能够实时采集液压制动系统和整个提升机的状态参数，用以判定液压制动系统和提升机的实时状态，判定故障时发出声光报警，同时执行故障程序。为了实现矿用提升机液压制动系统的自动化，笔者设计一套矿用提升机制动系统自动化控制系统，系统设计主要从硬件配置和软件设计两方面开展，以期研究能够起到指导作用。

1 矿用提升机液压制动系统分析

液压制动是一套复杂的完整系统，为了简单明了，以制动器为例进行液压制动工作原理分析说明。制动器是液压系统执行开闭的执行原件，其动作直接受到制动系统控制[1]。制动器作用是通过制动力的产生，降低提升机速度，在提升机不工作时，闸住卷筒保持提升机安全。矿用提升机液压制动系统中的制动器以盘形制动器居多，使用闸瓦产生制动力实现制动功能[2]。液压制动系统盘形制动器的制动过程示意图见图1所示。

图1 矿用液压制动系统盘形制动器制动过程示意图

制动系统执行制动降速操作时，盘形制动器与液压气缸之间会形成一对反作用力，将液压气缸记为FN，同时制动过程中液压气缸会产生制动力，记为F2，蝶形弹簧产生F1作用力，整个系统受到的阻力记为FZ，制动过程力平衡式见式(1)：

F2=FN+F1+FZ

(1)

制动正压力是制动的主动力，与液压气缸受到的力大小相等，方向相反，记为N，液压气缸产生的正压力与气缸结构有关，计算公式见式(2)：

N=F1+pA+FZ

(2)

式中：p为液压油的压力；A为液压气缸动力作用面积。通过式(2)可以看出，制动系统的制动力大小，与液压气缸液压油压力成正比关系。煤矿上常用恒力矩二进制动方式实现提升机制动[3]。

2 制动系统自动化控制系统设计方案

矿用提升机制动系统自动化控制电控系统主要实现信息交流与控制作用[4]，通过不同元器件组合应用，保证制动系统控制功能的实现。控制系统设计主要包含两方面内容：电器元件选型与软件设计。

(1) 控制系统电器元件

提升机制动系统电控系统主要电器元件包含：处理器PLC、采集提升机状态的信号传感器、控制制动装置的恒减速制动控制卡、供电电源以及人机交互系统。通过信号传感器对提升机制动系统实时状态进行监控；PLC处理信息数据，实现数据处理与控制命令的接收；恒减速制动控制卡接收处理器发送的信息，通过电路实现制动机械部件的动作，完成制动动作；人机交互系统是控制命令的输入端，也是状态显示端。

PLC控制器作为系统处理中心，是整个控制系统的核心。本方案选取PM556型CPU，该CUP具有数字量和模拟量的双重扩展性，通讯接口包含以太网接口和串行通信接口两种，配合通讯模块和扩展模块，保证了处理效率和信息传输效率。通过不同扩展模块，PLC可以实现不同的制动系统控制功能和信息处理功能。

信号传感器根据制动系统的监测参数确定，种类主要包括：液压装置压力传感器、电机转速监测传感器、制动系统温度传感器以及气缸压差传感器等。传感器精度和数量根据不同的需求有所不同。具体需要的信号传感器种类见图2。

图2 信号传感器种类

电源装置包括为PLC供电的24V开关电源、交直流转换电源以及高低压配电柜等。

恒减速制动控制卡能够在接收PLC控制器的制动信号后，通过内部电子元件电路控制，调节制动系统的制动比例溢流阀和比例方向阀，通过阀门动作完成制动。恒减速制动控制卡是由各种电子元件组成的电路结构元件，其组成结构见图3。

图3 恒减速制动控制卡结构组成图

(2) 控制系统软件

制动系统控制软件主要包括PLC控制器控制程序和恒减速制动卡程序。PLC控制器故障诊断程序的实现需要依托信号传感器，控制流程见图4。

图4 PLC故障诊断流程图

恒减速制动卡程序气动时，首先检测系统是否有效，确认结果后控制一级安全制动部件动作，实现安全制动解除、驻闸，控制液压气缸加压，同时实时监控滚筒转速，根据滚筒转速的不同，调节比例阀，达到线性调整液压压力的作用，滚筒转速为零时，系统完全泄压，制动结束。

3 设计应用效果

按照设计方案，将提升机制动系统自动控制系统应用在JTS-2 型矿用提升机实际控制操作中，通过对各模块的搭建和调试以及信息采集模块的选型，最终的自动化控制数据实时显示在人机交互界面上，系统的数据采集正确，故障显示和报警功能正常，人机交互界面见图5。

4 结 论

针对矿用提升机制动系统的自动化控制进行研究，重点分析了制动系统的工作原理和自动控制系统的硬件结构和软件程序流程，该系统的设计研究，对推进矿山智能化建设具有一定意义，研究主要形成以下结论。

(1) 提升机制动系统主要通过控制液压制动系统中的电机和电液阀的动作来实现液压站压力变动，进而实现提升机制动。

图5 制动系统自动控制系统人机交互界面

(2) 研究了PLC控制器、恒减速制动控制卡以及各类信号传感器在自动控制系统中的功能，对恒减速制动控制卡的结构组成进行分析。

(3) 设计了PLC故障诊断控制流程，实现了通过信号传感器作为信息采集与输入，通过处理器处理数据，并对比数据库完成故障诊断的控制模式。

(4) 自动控制系统能够通过上位机实现人机交互，控制人员可以实时监控提升机制动系统状态，并可通过上位机对控制系统进行控制操作。