PLC礦井掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析
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摘要：礦井掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境具有高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾等特點(diǎn)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為提高掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率、智能化水平及掘進(jìn)作業(yè)的安全性，設(shè)計(jì)了一種以S7－200plc為核心控制器的掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)，可完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程邏輯控制及工作狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)控制等功能。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能豐富，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程智能控制。
關(guān)鍵詞：礦井掘進(jìn)機(jī)；PLC；智能控制系統(tǒng)
0引言
掘進(jìn)機(jī)作為煤礦井下巷道采掘工作的重要設(shè)備，其控制精度及智能化程度是提高煤礦掘進(jìn)效率及質(zhì)量、降低掘進(jìn)成本的重要影響因素［1］。隨著智能控制及傳感技術(shù)的快速發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不斷提高，系統(tǒng)功能也不斷豐富和完善。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)掘進(jìn)機(jī)無(wú)人值守及相應(yīng)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量調(diào)研，但目前的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)在控制精度、井下作業(yè)環(huán)境適應(yīng)度及穩(wěn)定性等方面仍然存在一定缺陷，難以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、掘進(jìn)機(jī)位姿自動(dòng)檢測(cè)、全功能遠(yuǎn)程遙控等功能，無(wú)法滿足綜掘工作面的自動(dòng)化需求。目前，國(guó)內(nèi)煤礦掘進(jìn)機(jī)的主要作業(yè)形式仍以人工按鈕控制和肉眼識(shí)別配合完成，該方法智能化程度較低、操作人員安全性較低、工作量較大，同時(shí)掘進(jìn)質(zhì)量及效率受人為因素影響較大，導(dǎo)致掘進(jìn)效率低下、截割斷面形成質(zhì)量差。早期的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)采用交流中間繼電器和交流接觸器組合形式進(jìn)行控制，但該控制形式的接線較為繁瑣，控制功能單一，導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)成本高，掘進(jìn)效率低下。之后開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)以控制器為主線，部分控制系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制及位姿檢測(cè)，但隨著對(duì)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)智能化水平要求的不斷提高，傳統(tǒng)單片機(jī)也無(wú)法滿足掘進(jìn)機(jī)的智能控制需求［2］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種以PLC為控制核心的掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、刀盤(pán)速度控制及運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，具有邏輯控制功能較強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)程通訊性能良好、控制精度及響應(yīng)速度高等優(yōu)點(diǎn)。
1掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案
1．1掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)需求分析
在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)該系統(tǒng)的主要功能需求及指標(biāo)進(jìn)行分析［3］。掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的功能需求分析如下：（1）掘進(jìn)機(jī)的控制方式采用自動(dòng)、手動(dòng)組合控制形式，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的工作參數(shù)通過(guò)控制程序自動(dòng)完成掘進(jìn)工作，并通過(guò)采集到的運(yùn)行參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)作及姿態(tài)調(diào)整，還可無(wú)擾動(dòng)切換到手動(dòng)模式通過(guò)操作臺(tái)人工完成掘進(jìn)機(jī)的操控。（2）控制系統(tǒng)需對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)參數(shù)的分析處理與管理功能。（3）控制系統(tǒng)需通過(guò)視頻裝置實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，包括掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的姿態(tài)及截割頭位置；同時(shí)為工作人員提供現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況信息，從而及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作、位置及姿態(tài)［4］。（4）控制系統(tǒng)還應(yīng)具備必要的故障報(bào)警及保護(hù)功能，包括液壓油溫度監(jiān)測(cè)、油路壓力監(jiān)測(cè)、電機(jī)過(guò)流保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)等。
1．2掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)
根據(jù)上述功能需求分析，制定了掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案［5］。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，即按照功能需求將控制系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊［6］，主要包括PLC、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊和上位機(jī)4部分，如圖1所示。該智能控制系統(tǒng)的核心部分由以PLC為主的下位機(jī)和各顯示器及相應(yīng)軟件界面組成的上位機(jī)構(gòu)成，PLC下位機(jī)主要用于傳感器運(yùn)行參數(shù)的采集以及輸入量的掃描，經(jīng)上位機(jī)程序處理后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作［7］。上位機(jī)主要涉及人機(jī)交互界面，用于掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的分析處理和顯示，并將控制指令傳輸至下位機(jī)，其硬件主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、兩個(gè)顯示器和一個(gè)液晶顯示屏組成。工業(yè)計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行上位機(jī)軟件，顯示器1、2各用于實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控影像和掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，配電柜顯示屏的參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)防爆攝像頭采集并經(jīng)硬盤(pán)錄像機(jī)存儲(chǔ)后通過(guò)光端機(jī)傳輸?shù)玫剑衔粰C(jī)與下位機(jī)通過(guò)PPI協(xié)議進(jìn)行通訊。運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊主要由各類傳感器組成，用于采集掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳至PLC中。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊由比例電磁閥和運(yùn)動(dòng)放大器組成，由PLC輸出的控制信號(hào)經(jīng)運(yùn)動(dòng)放大器放大后輸出至比例電磁閥控制油缸執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊中的各傳感器采集掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)信息，主要包括掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部電機(jī)的電參數(shù)測(cè)量（油泵電機(jī)、截割電機(jī)、轉(zhuǎn)載電機(jī)等的電壓電流值）、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)與位置的測(cè)量、掘進(jìn)機(jī)截割頭位置測(cè)量、控制閥的油壓及油溫測(cè)量等。隨后運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊將收集到的各狀態(tài)量傳輸至控制器的輸入單元，再由PLC將各運(yùn)行參數(shù)上傳至上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，然后由上位機(jī)向PLC下達(dá)控制指令，最終通過(guò)PLC模擬量輸出模塊所輸出的控制信號(hào)控制比例電磁閥對(duì)掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行液壓控制，還可通過(guò)數(shù)字量輸出模塊的輸出信號(hào)控制皮帶機(jī)正反轉(zhuǎn)。
2硬件方案設(shè)計(jì)
掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)主要由電氣控制柜、功能控制柜和操作臺(tái)組成，如圖2所示。電氣控制柜內(nèi)部集成了電參數(shù)傳感器、CO傳感器、液晶顯示屏和從站PLC等器件，主要用于掘進(jìn)機(jī)一次回路的運(yùn)行控制和保護(hù)，位于掘進(jìn)機(jī)尾部。功能控制柜內(nèi)部主要集成了從站PLC、運(yùn)動(dòng)放大器和位移傳感器，用于控制比例電磁閥進(jìn)行采掘工作。操作臺(tái)位于遠(yuǎn)程控制室內(nèi)，主要包括操作面板、顯示器及控制系統(tǒng)，用于掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制及參數(shù)監(jiān)測(cè)。其中控制系統(tǒng)主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)及主站PLC構(gòu)成，工業(yè)計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行人機(jī)界面，負(fù)責(zé)顯示和分析處理主站PLC上傳的運(yùn)行參數(shù)，并向PLC下達(dá)控制指令；主站PLC用于掃描操作面板的按鈕狀態(tài)，并采集電氣控制柜和功能控制柜兩個(gè)從站PLC的數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機(jī)程序處理后向兩個(gè)從站PLC傳輸電機(jī)啟停及油缸動(dòng)作控制指令。PLC是本系統(tǒng)核心控制部件，該系統(tǒng)對(duì)控制器的可靠性要求較高，但對(duì)于數(shù)據(jù)解析能力和速度要求并不苛刻，考慮系統(tǒng)成本后本文選用西門(mén)子S7－200可編程控制器。CPU選擇S7－226，該CPU具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出。模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊分別選用SM331和SM332，主要用于各類傳感器模擬信號(hào)的采集和模擬信號(hào)的輸出［8］。由于內(nèi)置型行程傳感器維護(hù)較困難，本系統(tǒng)采用4個(gè)外置拉線式位移傳感器來(lái)檢測(cè)油缸的具體行程。本系統(tǒng)方案選擇的型號(hào)為MT40，其量程為100mm～1200mm，線性精度為±0．15％FS，輸出信號(hào)為4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP65，完全符合本系統(tǒng)的位移檢測(cè)需求。激光測(cè)距傳感器用于掘進(jìn)機(jī)位置與姿態(tài)及截割頭位置的檢測(cè)，由于井下惡劣的工作環(huán)境，本系統(tǒng)選用4個(gè)工業(yè)級(jí)高精度激光測(cè)距傳感器來(lái)完成掘進(jìn)機(jī)與礦道之間的間距檢測(cè)。本系統(tǒng)方案選擇的型號(hào)為GLS－B30，其測(cè)量距離為0m～100m，最高精度為±2mm，采用外部7V～24V供電，數(shù)據(jù)輸出形式為4mA～20mA電流信號(hào)，可滿足本系統(tǒng)的測(cè)量需求。
3軟件方案設(shè)計(jì)
當(dāng)掘進(jìn)機(jī)及系統(tǒng)檢查無(wú)故障后即可通電運(yùn)行主控程序及上位機(jī)顯示器界面，掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部3個(gè)電機(jī)按照先啟動(dòng)油泵電機(jī)再啟動(dòng)截割電機(jī)的順序進(jìn)行，轉(zhuǎn)載電機(jī)可隨時(shí)啟動(dòng)。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，即可通過(guò)PLC對(duì)執(zhí)行模塊的電磁閥下達(dá)操作指令控制掘進(jìn)機(jī)的采掘工作?？刂葡到y(tǒng)主程序流程如圖3所示。功能控制柜內(nèi)從站PLC的主要作用是向運(yùn)動(dòng)放大器提供控制電壓并控制各傳感器采集掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，其主程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括子程序初始化、模擬量輸出子程序和傳感器采集子程序，如圖4所示。
4結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行了分析，確定了控制系統(tǒng)的各功能模塊，使用主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)的基本邏輯調(diào)控和現(xiàn)場(chǎng)及工況參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和操控，可對(duì)采掘工作中發(fā)生的故障進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警與分析，保證掘進(jìn)機(jī)在無(wú)人值守情況下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。該掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)對(duì)于提高井下采掘工作的效率及質(zhì)量具有重要意義。
作者:李斐 單位:山西西山煤電股份有限公司