无极绳绞车液压驱动控制系统的设计与模拟

靳 璞

（同煤集团忻州窑矿， 山西 大同 037000）

引言

无极绳绞车是井下利用钢丝绳双向牵引的连续运输设备。适合于煤矿大倾角、多坡度、长距离、大吨位条件下工作面、采区上下山等的不转载直达运输，具有设备数量少、占地小、提升能力强和使用方便等优点，是矿井复杂条件下重要的辅助运输工具[1-2]。无极绳绞车的普遍使用，减少了物料运输的难度和用工数量，增加了运输速度，大大提高了运输效率[3]。普通的无极绳绞车，大都采用手柄控制模式，对绞车设备运输速度和升降进行控制。针对手柄控制存在的精度低、监控手段匮乏、安全性低、驱动装置所受冲击力大等不足[4-5]，本文以煤矿普遍使用的JKY 型无极绳绞车为例，重建液压控制系统，提高了绞车自动化水平，增强了无极绳绞车的安全性，降低了绞车的操控难度。

1 普通无极绳绞车控制系统存在的问题

在对井下无极绳绞车操控时，操控人员通过调整绞车的控制手柄来改变绞车变量泵体（ZBS-H915）的转子偏心度，从而调节变量泵体的流量值，实现对绞车运行速度的控制。液压绞车控制系统见图1。在开环控制系统下没有进行相关的反馈装置设计，所以绞车操控人员要通过不断的调整手柄来实现对绞车运速的准确控制。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，往往依赖于操控者的经验，存在不足。

2 绞车液压自动控制系统的设计

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，同时作出与控制手柄同步的响应，图2 是绞车具体的响应流程图。

图1 JKY 绞车控制系统示意图

图2 绞车响应流程图

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是位于左侧，而两位四通电磁阀的运行状态是位于右侧，且两位两通电磁阀此时处于全部打开状态，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 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。

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1.5 s 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 控制设备和PLC 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，无极绳绞停止运运动。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，同时控制液压制动器，使处于制动状态。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 速度自动控制的分析

2.2.1 转速区间控制分割

绞车手柄收到操控时，控制系统中的模拟电路会发出电信号，通过模数转换后数据被单片机所读取，单片机将其与传感器监测的驱动电机转速对比，取差值△w。当控制手柄指示的方向与此时驱动电机的旋转方向相同时，单片机将此时的△w绝对值除以20 r/min，得到的值即为目标转速，先将目标转速取整，记为i，然后将目标转速切割为（i+1）个区间目标转速，将前i个区间目标转速的控制时长定为1 s。如果△w值是正数，则在前i个区间驱动电机转速均增加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，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。

当控制手柄指示的方向与此时驱动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

在控制系统PLC 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，将模拟信号值传输至PID 控制器中，将驱动电机旋转速度调整至目标转速，通过（i+1）个区间的调速后，驱动电机的旋转速度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 试验模型的建立

本次采用AMEsim 软件对建立的控制系统运行效果进行分析验证。首先利用AMEsim 软件进行绞车液压自动控制模拟，在模拟运行时对PID 参数赋值，设定KI为60，KP为1 400，KD为1 100，绞车驱动电机最大拉力值设为500 kg，模拟转速输入分为0～-40 r/min 和-50～0 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。开始模拟时间设为0 s，采样间隔设为0.01 s，模拟总时间分别为6 s、24 s。

3.2 模拟结果的分析

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 时，绞车驱动电机转速从-50 r/min 降至0 的响应曲线见图4。

图3 0～-40 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3 可知，在驱动电机转速由0 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 小了0.40 r/min，在允许误差1 r/min 范围内。

由图4 中知，在绞车驱动电机转速由-50 r/min变为0 的过程中，PLC 单片机将指示的目标转速调整分为了三个阶段，即转速从-50 r/min 至-30 r/min、从-30 r/min 至-10 r/min 和转速从-10 r/min至0 部分。PID 控制器调整转速-50 r/min 至-30 r/min 阶段总耗时1 s，-30 r/min 至-10 r/min 阶段总耗时1 s，-10 r/min 至0 阶段总耗时4 s。在绞车驱动电机调速的整个过程中，未发现绞车运行速度出现大幅波动，运行平稳。结果表明本次设计的控制系统达到了运行要求。

4 结论

基于PLC 单片机以及PID 控制器的无极绳绞车液压驱动控制系统，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PID 控制器对绞车驱动电机的旋转速度进行控制，完成绞车运转速度调整。本次采用AMEsim 软件对设计的液压控制系统进行了模拟验证，结果表明，设计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依靠个人经验的问题。