煤矿提升机恒减速制动系统的仿真分析

郭文强

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

引言

提升机的运行情况直接决定煤矿的产量，其主要承担煤矿设备和人员的运输任务。提升机在实际运行过程中，常见的故障包括有过卷、松绳、滑绳以及坠罐等，主要原因为制动系统性能不佳所导致。针对提升机制动系统可分为工作制动和安全制动[1]。其中，基于恒力矩制动系统容易对提升机设备造成冲击，从而导致可靠性降低；而对于恒减速制动系统不仅可显著提升制动性能，而且其与恒力矩制动系统相比更加安全，可靠性更高。本文将设计了一款提升机恒减速制动系统，并对其性能进行仿真分析。

1 提升机恒减速制动系统的设计

提升机恒减速制动系统主要分为恒减速安全切换液控分系统和电控系统。本节将分别完成上述两个分系统的设计。

1.1 提升机恒减速安全切换液控分系统的设计

提升机制动系统的制动性能包括响应速度、响应时间和制动力等均是通过液控分系统完成。因此，合理对提升机恒减速安全切换液控分系统的设计对于保证制动系统的性能具有重要意义。液控分系统为包含机械、电气以及液压为一体的控制系统，其包括电控柜、液压站、制动器等组成[2]。液控分系统的工作原理如下：当提升机钢丝绳滚筒出现超速或者失速的情况时，液控分系统对其中的电磁阀的方向、流量等参数进行控制，并通过实时监测滚筒的转速对电磁阀相关参数进行对应性控制，最终达到提升机滚筒速度降为零的目的。根据提升机的运行工况，制动包括有工作制动和安全制动。其中，工作制动主要实现对提升机开机和停车操作；安全制动为设备在紧急运行情况下采取的制动方式，本文将采用恒减速方式实现对提升机的安全制动功能[3]。

基于恒减速方式实现的安全制动对应的液压制动回路如图1 所示。

图1 恒减速制动液压回路

如图1 所示，恒减速制动液压回路包括有两级制动回路、普通工作的制动回路以及紧急情况下的恒减速制动回路。

1.2 恒减速制动电控分系统设计

恒减速制动电控分系统与液控分系统共同组成恒减速制动系统。电控分系统主要是对整个制动系统的控制大脑，重点对盘式制动器制动力的控制，并对制动系统的运行状态进行实时监测。

1.3 电控分系统的硬件设计

恒减速制动电控分系统主要包括有主功能和辅助功能。其中，主功能实现提升机的工作制动和安全制动；辅助功能主要是对系统中各类元器件包括电磁阀的工作状态、滚筒转速、液压油油压等参数进行监测、记录并对故障信息进行报警[4]。

目前，PLC 控制器为工业中应用较为广泛的控制器。针对提升机恒减速制动电控分系统也采用PLC为其核心控制器电；结合提升机的运行工况及其制动系统的使命任务，设计如图2 所示的PLC 控制方案。

图2 恒减速制动电控分系统PLC 控制方案

如图2 所示，PLC 控制器对提升机制动系统配套的压力继电器、压力传感器、温度传感器、速度传感器采集的参数进行分析，根据分析结果得出对应的控制指令对制动系统电机、电磁换向阀以及比例溢流阀、伺服阀的工作状态进行控制，从而达到恒减速制动的目的。

2 提升机恒减速自适应控制及仿真分析

实现对提升机恒减速制动系统的快速响应、高精度的控制功能，除了为其配套高性能的元器件外，还需先进的控制策略对元器件控制才能保证最终的控制效果。因此，在上述液控和电控分系统设计的基础上，本节重点对控制策略进行设计，并对最终的控制效果进行仿真分析。

2.1 提升机恒减速制动控制策略的设计

目前，针对类似于提升机恒减速制动系统的相对复杂的控制系统，一般采用PID 控制器对其进行控制。但是，PID 控制器的比例、积分、微分三个环节的系数为设定好的，并不能够根据提升机的运行工况和不同的制动要求对系数进行重新设定[5]。为此，本文将RBF 神经网络和PID 控制器相结合实现对提升机恒减速制动系统的控制。

基于RBF 网络对PID 控制器系数校正的控制结构框图如图3 所示。

图3 基于RBF 网络对PID 控制器系数整定

2.2 制动效果仿真分析

提升机恒减速制动控制系统属于结构复杂的机电液控制系统，本小节将通过数值模拟手段对基于RBF 网络的PID 控制器对恒减速制动控制系统的控制效果进行仿真分析。

2.2.1 仿真模型的建立

首先，根据提升机恒减速制动系统的液压和电控分系统建立仿真模型，并将模型中的参数根据提升机的对应参数进行设置。所建立的恒减速制动系统的液压仿真模型如图4 所示。

图4 恒减速制动系统液压仿真模型

2.2.2 仿真结果分析

基于RBF 网络对PID 控制器积分、微分和比例三个环节的系数进行整定。整定结果如下：比例环节系数为0.9，积分环节系数为0.4，微分环节系数为0.01。本次仿真条件如下：仿真时间为12 s，在5 s 时刻开始进行恒减速制动，仿真结果如图5 所示。

图5 恒减速制动效果

由图5 可看出，在5 s 时刻开始恒减速制动时，提升机钢丝绳速度从6.6 m/s 开始下降，对应的减速度约为1.3 m/s2；当在10 s 时钢丝绳的速度降为0。从整体上讲，钢丝绳速度能够按照预定速度曲线完成制动，而且相对误差最大仅为9%，满足理论与实际速度差小于15%的要求。

3 结语

提升机为煤矿生产的运输系统，其主要承担设备和人员的运输任务。为满足提升机在各类工况下均可以完成安全、及时、稳定制动的功能，本文基于PLC控制器设计了恒减速制动系统。同时，基于RBF 网络对恒减速制动系统的PID 控制器中三个环节参数进行整定，保证其能够适应各个工况下的制动要求。经仿真分析可知：所设计的提升机恒减速制动系统可按照预定曲线完成制动功能，而且理论速度和实际速度的误差控制在9%以内，满足小于15%的要求。