矿用无极绳绞车液压驱动系统设计与模拟分析

牛 昊

（大同煤矿集团有限公司忻州窑矿，山西 大同 037003）

无极绳绞车具有提升能力大、占地面积小、使用方便等特点，是煤矿井下重要的运输辅助工具，但是绞车的控制大多是采用手柄控制方式，来实现对绞车提升设备运输速度、升降进行控制，手动控制时存在控制精度低、缺乏监控、安全性不高、驱动装置受到的冲击比较大等问题[1～3]。笔者根据煤矿井下常用的JKY型号液压无极绳绞车为例，重新对液压控制系统进行构建，以便实现提升绞车的自动化控制水平，增强矿井绞车的安全使用系数，降低井下工作人员劳动强度。

1 JKY绞车控制原理

图1 绞车控制示意图

在对绞车进行控制时，井下操作人员通过采空绞车控制手柄来实现对绞车变量泵体（ZBS-H915）转子偏心度进行控制，从而控制变量泵体流量值大小，达到对绞车运行速度控制的目的[4～5]。具体的液压绞车控制原理如图1所示。开环控制系统中未设置相关反馈装置，绞车操作人员需要不断的调节手柄进行调节，从而实现对液压绞车运行速度的控制。由于设备上未有相关反馈以及显示装置，因此绞车运行过程的中速度，运行的平稳程度以及准确性往往需要凭借绞车司机的经验进行判断[6]。

2 液压控制系统设计

2.1 系统自动控制原理分析

绞车工作存在三种状态：绞车下方、上体以及停止制动，设计的系统中单片机可以根据控制手柄输入信号大小以及控制手柄处于的状态来对绞车的运行状态输入情况进行判断，并作出一定的相应，图2是系统的具体判别流程。

图2 绞车运行状态判别流程

绞车在提升相关设备以及材料过程中，控制手柄处于向上推动状态，推入量越大，运转速度越快，此时设备中三位四通电磁阀运行状态是处于左侧，两位两通电磁阀运行状态是处于右侧，两位两通电磁阀处于完全开启状态，用以绞车制动的制动器处于松闸，驱动电机处于正转状态，带动钢丝绳将设备以及材料进行提升，系统中的PID控制设备以及PLC单片机共同作用来根据手柄推入大小通过控制驱动电机的转速来对绞车卷筒转速进行控制；当绞车下方设备或者材料时，三位四通电磁阀、两位四通电磁阀、两位两通电磁阀与绞车提升状态时的位置正好相反，分别处于右侧、左侧及关闭状态。经过1.5s时间后，两位两通电磁阀开启，绞车的液压制动器处于松闸状态，驱动电机发转，下放设备材料，PID控制设备以及PLC单片机同样通过控制驱动电机运转速度来达到对绞车下放速度的控制。当绞车需要停止运行时，控制手柄处于未处于动作状态，PID控制设备以及PLC单片机协同将绞车卷筒的运转速度降低至0，并控制液压制动器，使其处于开启状态。当绞车需要进行紧急停车时，也可以通过手动拉起设备旁的制动拉杆，来实现停止卷筒运转目的。

2.2 速度自动调速分析

2.2.1 转速控制分割

绞车控制手柄进行操作时，单片机中的模数转换器对目标读数进行读取，并与驱动电机目前的运转速度进行比对，差值取值为△w。当控制手柄操作需要的转速与当前驱动电机转速方向一致时，单片机将△w绝对值除以20r/min，取得的数值即为需要的目标转速，将目标转速进行取整，并记作i，并将目标转速分割成（i+1）个阶段目标运转速度，前i个阶段的目标转速度控制时间均保持为1s。当取得的△w值为正数时，在前i个阶段，每个阶段驱动电机的运转速度增加20r/min，一直持续到第i阶段结束，在第i阶段结束以后，目标转速增加到控制手柄需要的转速；当取得的△w值为负数时，在前i个阶段，每个阶段驱动电机的运转速度减少20r/min，一直持续到第i阶段结束，在第i阶段结束以后，目标转速增加到控制手柄需要的转速。

当控制手柄目标转速与当前驱动电机转动方向正好相反时，目标转速的控制分为两个大的阶段，第一阶段是先将目标转速变成0，然后与当前驱动电机转速取差值，求得△w，最后再将目标转速进行分割；第二间断，将目标转速变成控制手柄需要速度，然后与0转速进行作差求得△w，最后再将目标转速进行分割。

2.2.2 PID调速控制

系统中的PLC单片机完成对控制手柄目标转速度分割之后，在每一个速度分割阶段之内，单片机将目标转动速度分割值转变成目标速度，随后通过与角速度传感器获得当前驱动电机的运转速度，计算出运转速度与当前阶段目标速度之间的差值，差值信号经过数模转换器之后的编程模拟信号传输到PID控制器，进而将驱动电机的运转速度调整到目标速度，经过（i+1）个阶段的速度调整之后，驱动电机的运转速度调整至控制手柄的目标速度，完成对绞车运转速度的精准控制。

3 模拟验证

3.1 模型建立

为了对建立的系统运行效果进行分析，采用AMEsim软件进行验证。在AMEsim软件中建立绞车液压控制自动控制模拟，在模拟运行环境中对PID控制参数进行赋值，设定K1为50，Kp为1300，KD为1000，绞车驱动电机的最大拉力值设定为600kg，模拟输入转速从 0r/min～-40r/min以及从-50r/min～0r/min等情况下的绞车驱动电机的相应情况以及转动速度的控制情况。模拟开始时间均设置为0s，采样间隔时间均设置为0.01s，模拟仿真总时间分别为 7s、23s。

3.2 模拟结果分析

当控制手柄的目标转速设定为-40r/min时，绞车驱动电机的运转速度响应情况如图3所示。当控制手柄目标转速设定为0r/min时，绞车驱动电机的运转速度从-50r/min的转速到0r/min的响应曲线如图4所示。

图3 -40～3 0r/min调速过程转速响应曲线

从图4中可以看出，当驱动电机的运转速度由0r/min变成-40r/min过程中，制动闸的开启时间延迟1.5s，在整个速度下放期间，转速没有发生较大幅度的波动，系统的速度的调节总耗时在3.7s，最终的绞车驱动电机的运转速度稳定在-39.60r/min，较目标值小0.40r/min，远小于误差允许值1r/min。

图4 -50～0r/min调速过程转速响应曲线

从图4中可以看出，当将绞车驱动电机的运转速度由-50 r/min调整至0 r/min的过程中，PLC单片机将目标转速的调整划分为3个阶段，分别是转速从-50r/min调整到-30 r/min、-30r/min调整到-10 r/min以及速度从-10 r/min调整到0 r/min。在PID控制器将转速从-50r/min调整到-30 r/min过程中总耗时长为1s，将转速-30r/min调整到-10 r/min时，PID控制器转速调节耗时为1s，PID控制器将转速从-10 r/min调整到0 r/min过程中，总耗时为4s。在对绞车驱动电机进行调速控制时，绞车的运行速度未出现较大幅度的波动，运行较为平稳。表明设计的绞车驱动控制系统是切实有效可行的。

4 总 结

设计的无极绳绞车液压驱动控制系统同通过PLC单片机以及PID控制器来实现绞车运行速度的平稳控制，当绞车控制手柄完成操作后，PLC单片机完成对绞车运行状态的综合判断，从而控制对各液压阀进行控制，对目标速度进行分割，PID控制器通过绞车驱动电机转速的控制完成对绞车转速的有效调节，采用AMEsim软件对设计的系统进行模拟验证，结果也表明，设计的系统能够对绞车运行速度进行平稳调节。设计的制动系统可以提高了绞车的自动化控制水平，解决了靠个人经验对绞车速度进行控制存在的问题。