关于矿用提升机制动过程控制系统的设计研究

张 铭

（山西潞安检测检验中心有限责任公司， 山西 长治 046200）

引言

制动系统作为矿井提升机的关键部件，其性能好坏决定着提升机能否安全运行，一旦矿用提升机在工作过程中制动环节出现故障，将会造成设备损坏、生产中断、人身伤亡等严重后果，给企业和个人带来不可估量的经济损失[1-3]。近年来煤矿企业对生产安全重视程度越来越高，煤矿事故逐年降低，但是由于提升机制动过程故障导致的伤亡事故时有发生。因此研究矿用提升机制动过程控制系统对进一步提升矿用提升机制动过程的可靠性具有重要的意义。

1 矿用提升机制动系统的组成及工作原理

目前国产矿用提升机制动全部使用液压盘形制动器，制动力来源于蝶形弹簧组，液压控制盘形制动闸动作，实现提升机的制动过程，应用过程中具有良好的制动性能。液压盘形制动系统组成有给定模块、电控模块、液压系统模块、盘形制动器模块、制动负载。工作原理是控制系统获取制动信号之后传输至控制器，由控制器对制动电信号进行A/D 转换并进行分析处理，输出液压系统能够识别的控制信号；液压系统接收控制信号输送给系统中的电磁阀、液压泵、液压马达等，实现液压回路的控制，为制动系统提供高压油，推动制动器执行制动操作。

2 矿用提升机制动过程电控系统的结构及设计要求

2.1 制动过程电控系统结构

液压盘形制动器电控系统的作用是控制伺服控制阀、比例溢流阀、电磁换向阀等阀件，使其按照规定要求动作，控制系统的结构如图1 所示。由图1 可以看出液压盘形制动器控制系统由电源电路模块、数字量/模拟量转换模块、手动制动控制模块、控制器及其相关外围电路、信号放大电路模块及电流检测电路模块等组成。其中电源电路模块在液压盘形制动控制构成中为其他各个模块输送标准电压；数字量/模拟量转换模块主要完成数字量信号与模拟量信号之间的相互转化，使各个模块均能获得各自可以识别和处理的信号；手动制动控制模块适用于矿用提升机手动制动操作，当操作人员促动手柄时电控系统就会产生电信号，随后进入数字量/模拟量转换模块进行电信号的转换，转换完成之后输入单片机进行处理；控制器及相关外围电路模块是指单片机处理器以及与之相关联的电源电路、复位电路、晶振电路等；信号放大电路模块连接在单片机的输出端，用于对单片机输出的微小控制信号进行放大处理，降低外界干扰；电流检测电路模块主要作用是对相关电磁控制阀线圈中的电流信号进行在线检测，检测信号进行光电隔离处理之后反馈给单片机。

图1 控制系统结构框图

2.2 制动过程电控系统设计要求

当前矿用提升机制动系统多采用二级制动控制，属于恒力矩制动，制动过程中减速度不可控，制动效果仍有提升空间。恒减速制动控制可以通过加速度传感器监测减速度，反馈调节制动油压使矿用提升机以规定减速度制动[4-5]。综合上述两种制动控制方式的优点，对当前使用的矿用提升机进行了改进：第一是在二级制动方式的基础上增加恒减速制动方式，为提升机的制动提供双保险；第二是重要的液压控制回路设计双通道，确保液压回路畅通，可靠制动。恒减速制动和双通道液压回路的设计导致当前电控系统不能满足改进后矿用提升机的要求，因此，需要完成相关电控系统的设计工作。

3 液压盘形制动过程电控系统的设计

3.1 控制器与其外围电路

控制器选择型号为CW89F52 的单片机，其随机存储器容量为512B 字节、配置32 个输入/输出接口、Flash 大小为8K、支持两种省电模式、兼容8051系列单片机引脚，同时具有性能优良、节能节电的优点[6]。图2 给出了控制器及外围控制电路系统。

图2 控制器及外围控制电路系统

系统中微控制器的晶振频率设置为12 MHz；RP1 位置配置8 个P0 口；IMP812MEUST 型芯片用于监控系统电压，控制单片机电路复位，包括自动和手动两种复位模式，前者要求JP1 断路，后者要求JP1 短路；控制单片机的PWM 电平信号分别由PWMInL 和PWMInH 发出，比例阀线圈过流信号反馈给PWMOI 实现过流保护控制，PWM 信号反馈给PWMOut 实现故障诊断。BEnd 为制动器的松闸信号；CLK0 多次分频之后输出A/D 转换器的时钟信号，包括ADCK 和CLK2。

3.2 手柄给定信号电路

手柄给定信号电路主要用于提升机手动操作模式，其需要与零位开关配合使用，当零位开关接通，液压盘形制动器松闸，反之紧闸制动。手柄发出的制动信息在电路中形成对应的电流信号，经过光电隔离进入转换电路转化成对应的电压信号，之后经过A/D 转换器进一步转换成控制器能够读懂的数字信号并进行分析处理，获得手柄制动信号的给定值。图3 给出了手动给定信号电路。

电路中由MBRIn、电位器VR1、电阻R7 串联获取给定信号电流值；电流的采样通过采样电阻R10实现；差动信号转换单边信号由放大器D5 实现；为了保证信号的稳定性，电路中设计了C5、C6 两个滤波电容；D6 放大器完成电流信号到电压信号的转变功能；VR1 可变电阻用于调整信道的增益。

图3 手动给定信号电路

3.3 信号放大电路模块

单片机输出的微弱控制信号不能够直接驱动阀的控制线圈，而且传输过程中极易受到外界或者强电的干扰，故将微弱信号首先输入功率放大器进行放大处理，之后用于驱动电磁阀的动作。图4 给出了信号放大器电路。

图4 信号放大电路

电路中对停车指令信号Vses 的放大处理过程如下：PWM发出的高、低电平信号分别经过D4B 和D4C 进行反向滤波处理，之后与线圈过流信号进行运算，之后进行光电隔离，其中U3A、U3B 为光电隔离装置。单片机发出PWM信号，若比例阀线圈电流处于正常范围，U3 发光二极管形成光电隔离，之后进入功率放大器进行信号的放大；若比例阀线圈电流超过正常范围，U3 发光二极管断开，不能发出驱动信号，对线圈进行过流保护。

3.4 A/D 转换电路

A/D 转换电路的作用是将模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号，A/D 转换电路如图5 所示。A/D 转换器型号为ADS7852Y，是一种12 位8 通道转换器，可以将外部12 V 电源信号转换成5.1 V 为其提供电能。A/D 转换器的外部时钟信号主要来自单片机的分频，其内部基准电压和外部供电电源的滤波处理主要由C16、C17、C18 及C19 完成。

图5 A/D 转换电路

3.5 电源电路

控制系统中需要+5 V、+7.5 V、+24 V 三种电源，其中：+5 V 电源的供电对象是单片机、放大器等元器件；+7.5 V 电源的供电对象是运算器、MOSFET等；+24 V 电源的供电对象是制动操作手柄、阀类线圈等，电源电路如图6 所示。开关电源SW100 完成220 V 交流电的转换得到+24 V 的电源电压，DFA5-24S12 和DFA5-24S5 完成+24 V 电源电压的转换得到+12 V 与+5 V 的电源电压，通过稳压操作将+12 V 电压降低获得+7.5 V 电源电压。

图6 电源电路

4 应用效果

配合矿用提升机制动系统功能改造完成了电控系统的设计，为了进一步验证电控系统的改进效果，进行了改进前后矿用提升机制动系统的对比测试。测试结果表明矿用提升机改进制动系统之后制动响应更加迅速、运行更加平稳。新设计的电控系统逻辑关系准确、运行顺畅。应用改进制动系统的矿用提升机在整个制动测试过程中未出现任何问题，制动系统的可靠性得到了显著提高。