基于PLC程序?qū)ν诰驒C(jī)性能的設(shè)計(jì)

劉洋

摘 要：文章基于PLC程序，結(jié)合挖掘機(jī)特性和功能，通過(guò)MP277上位機(jī)采集、實(shí)時(shí)顯示報(bào)警和故障代碼，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)性能的優(yōu)化和升級(jí)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證，獲得了良好的運(yùn)行效果，能夠滿(mǎn)足挖掘機(jī)各種工況控制的要求。

關(guān)鍵詞：PLC；挖掘機(jī)；特性；功能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）32-0023-02

電動(dòng)挖掘機(jī)在露天采礦、基建施工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]，隨著太重WK系列大型礦用挖掘機(jī)電控系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新、電機(jī)控制技術(shù)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)于電氣服務(wù)工程師的技術(shù)水平也提出了新的、更高的要求，尤其是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作能力。近年來(lái)，面對(duì)復(fù)雜多變的外部環(huán)境和日益加劇的競(jìng)爭(zhēng)格局，公司日益感覺(jué)到設(shè)備的穩(wěn)定性和完好性對(duì)礦山企業(yè)生存發(fā)展的重要性。為了提高公司的運(yùn)行質(zhì)量和服務(wù)管理水平，對(duì)挖掘機(jī)的部分功能加以了優(yōu)化和改進(jìn)。

1 大型礦用挖掘機(jī)介紹

大型礦用挖掘設(shè)備是現(xiàn)代化露天煤礦的主力軍，從20世紀(jì)60年代使用的4立方挖掘機(jī)開(kāi)始，隨著露天礦產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，逐步引進(jìn)了12立方、20立方、35立方和55立方挖掘機(jī)，電氣控制系統(tǒng)由原來(lái)的直流控制系統(tǒng)升級(jí)為現(xiàn)在的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。挖掘機(jī)在露天礦山工作過(guò)程中主要有五大機(jī)構(gòu)，有提升、推壓、走行、回轉(zhuǎn)、開(kāi)斗機(jī)構(gòu)，司機(jī)室內(nèi)操作人員通過(guò)主令等控件，把信號(hào)傳遞到變頻器，由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)物料的挖掘和裝載。

以WK-35挖掘機(jī)為例，電鏟鏟斗機(jī)構(gòu)是正鏟，通過(guò)鏟斗提梁和阻尼機(jī)構(gòu)固定在斗桿上。斗桿上焊裝有齒條，并放置于推壓小齒輪上，通過(guò)鞍座固定，齒輪-齒條推壓來(lái)實(shí)現(xiàn)鏟斗的伸出和收回。提升功能是通過(guò)提升卷筒的旋轉(zhuǎn)纏繞提升鋼絲繩帶動(dòng)鏟斗的上下運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。提升和推壓兩個(gè)動(dòng)作的相互配合，就實(shí)現(xiàn)了物料的挖掘。當(dāng)物料裝滿(mǎn)后，需要裝入運(yùn)輸車(chē)，挖掘機(jī)通過(guò)回轉(zhuǎn)小齒輪在回轉(zhuǎn)大齒圈上來(lái)回地咬合運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。與此同時(shí)還需要開(kāi)斗機(jī)構(gòu)的配合，挖掘機(jī)通過(guò)開(kāi)斗電機(jī)纏繞開(kāi)斗鋼絲繩拉動(dòng)開(kāi)斗銷(xiāo)，鏟斗底板打開(kāi)，物料實(shí)現(xiàn)裝車(chē)完成。由于大型挖掘機(jī)的整體重量很大，走行機(jī)構(gòu)都采用履帶式來(lái)增加對(duì)地的比壓，保持設(shè)備的平穩(wěn)。

2 大型礦用挖掘機(jī)的控制特性

2.1 挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)

礦用挖掘機(jī)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)為“MP277工控機(jī)+PLC+DP通訊+變頻傳動(dòng)”組成的四級(jí)控制系統(tǒng)[2]。如圖1所示，MP277工控機(jī)應(yīng)能監(jiān)控和實(shí)時(shí)顯示整臺(tái)挖掘機(jī)工作中的狀態(tài)及故障信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)畫(huà)面的模擬顯示與故障的自我診斷；PLC通過(guò)PROFIBUS DP總線與AFE控制單元，提升、推壓、走行、回轉(zhuǎn)四個(gè)機(jī)構(gòu)的逆變器、司機(jī)室操作臺(tái)和主令的控制等連接，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)分層控制；通過(guò)AFE控制單元整流為直流，公用直流母線又與各機(jī)構(gòu)逆變器相連，通過(guò)電流和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)電機(jī)力矩、電流與速度的準(zhǔn)確控制。

2.2 挖掘機(jī)各機(jī)構(gòu)控制形式

行走機(jī)構(gòu)兩臺(tái)電機(jī)為分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，右行走電機(jī)有一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)，左行走電機(jī)有一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)。這樣分別控制能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機(jī)走行電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行，電機(jī)可以保持一個(gè)正轉(zhuǎn)，一個(gè)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的原地挑頭，有效的減少了挖掘機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的機(jī)械摩擦給設(shè)備帶來(lái)的損害。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一臺(tái)逆變器帶動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)軸承連接回轉(zhuǎn)小齒輪，通過(guò)在回轉(zhuǎn)大齒圈上來(lái)回地耦合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同一逆變器的輸出，兩臺(tái)電機(jī)的電源保證來(lái)自同一個(gè)出點(diǎn)，這樣兩臺(tái)電機(jī)的力矩（或速度）也基本保持一致，很好的保證了兩個(gè)電機(jī)的協(xié)同作業(yè)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性屬于大慣量運(yùn)動(dòng)載體，在正常工作下一個(gè)工作循環(huán)僅作0 °～80 °、100 °～0 °的正反往返旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)控制采用速度限幅、轉(zhuǎn)矩控制方式，即控制器給定是轉(zhuǎn)矩給定，給定大小決定了起制動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小、啟制動(dòng)的快慢。往返旋轉(zhuǎn)期間由于大慣量不能立即停車(chē)，需在主令給定的加減速時(shí)間內(nèi)打反車(chē)制動(dòng)，有效的避免了機(jī)械沖擊。提升機(jī)構(gòu)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別通過(guò)聯(lián)軸節(jié)來(lái)你姐在一臺(tái)減速機(jī)的一根軸上，兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速完全一致。由于采用兩臺(tái)逆變器共同驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，中間有電機(jī)耦合控制箱。有效的保證兩臺(tái)電機(jī)做功相等，在兩臺(tái)逆變器之間采用“一拖二”控制技術(shù)，由于提升機(jī)構(gòu)的特殊性，在裝車(chē)過(guò)程中需要精準(zhǔn)的定位，故采取了速度控制。推壓機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)采用速度閉環(huán)矢量控制，為提高挖掘時(shí)的切削力，推壓電動(dòng)機(jī)在0～80%的速度范圍內(nèi)均能輸出最大力矩，這就保證了鏟斗在80%速度范圍，其切削力基本不變。

2.3 挖掘機(jī)的試車(chē)以及特性

挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程中，提升、推壓時(shí)通過(guò)DP通行來(lái)對(duì)話的，當(dāng)遇到物料粘性較大時(shí)，有時(shí)提升提不動(dòng)，有時(shí)推壓收不回。此時(shí)通過(guò)電流和轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)反饋信號(hào)分析，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的變頻器都達(dá)到了預(yù)設(shè)的上限值，此時(shí)變頻器會(huì)自動(dòng)調(diào)整，提升和推壓逆變器將在低速運(yùn)行，將鏟斗拖出，解決了司機(jī)遇到的問(wèn)題。也有可能在鏟斗被黏住以后，司機(jī)可能會(huì)將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)誤操作，當(dāng)逆變器檢測(cè)到電流都為90%以上時(shí)，自動(dòng)告知回轉(zhuǎn)逆變器的輸出為0，有效的避免了誤操作回轉(zhuǎn)時(shí)將鏟斗斗桿損壞的可能。

也有可能挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程中，遇到大塊或根底時(shí)，提升和推壓機(jī)構(gòu)經(jīng)常會(huì)造成堵轉(zhuǎn)，這時(shí)電機(jī)既要維持出力又要保證不燒損，這就要求對(duì)挖掘機(jī)機(jī)械特性[3-4]有全面的了解，如圖2所示。當(dāng)電樞電流到達(dá)堵轉(zhuǎn)電流Id后，此時(shí)堵轉(zhuǎn)保護(hù)計(jì)時(shí)，超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，提升報(bào)警[5]。

3 目前挖掘機(jī)使用過(guò)程中的問(wèn)題

當(dāng)挖掘機(jī)提升抱閘關(guān)閉時(shí)，電磁閥不通電，如果氣壓檢測(cè)和抱閘打開(kāi)限位中任意一個(gè)滿(mǎn)足條件則會(huì)報(bào)抱閘故障。抱閘打開(kāi)時(shí)，電磁閥通電，如果氣壓檢測(cè)和抱閘打開(kāi)限位中任意一個(gè)不滿(mǎn)足條件則會(huì)報(bào)抱閘故障。這樣就存在一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)抱閘處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，即使抱閘限位在打開(kāi)位置，只要?dú)鈮簷z測(cè)存在問(wèn)題就會(huì)報(bào)故障?；蛘弑чl限位存在問(wèn)題，即使氣壓達(dá)到要求也會(huì)報(bào)出故障。而實(shí)際使用中兩者同時(shí)存在故障的幾率是很低的，而這樣的程序設(shè)置就會(huì)給設(shè)備帶來(lái)更多的停機(jī)時(shí)間。如果故障發(fā)生在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，則可能會(huì)帶來(lái)安全隱患。

4 系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)

修改后部分程序后，將兩點(diǎn)常閉點(diǎn)改為串聯(lián)，抱閘關(guān)閉狀態(tài)下邏輯同之前。抱閘打開(kāi)時(shí)，如果氣壓檢測(cè)[1]和抱閘打開(kāi)限位同時(shí)存在問(wèn)題才會(huì)報(bào)故障。但這樣做也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，假設(shè)限位監(jiān)測(cè)失效，只存在氣壓檢測(cè)工作，但氣壓設(shè)置不合適或者壓力傳感器已壞，則抱閘的保護(hù)措施不存在，對(duì)抱閘和電機(jī)裝置以及安全是非常不利的。所以修改后需要現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)常檢查打開(kāi)抱閘以測(cè)試抱閘限位以及氣壓監(jiān)測(cè)的工作是否正常，這是非常必要的。于是另外在觸摸屏增加抱閘監(jiān)測(cè)頁(yè)面，以監(jiān)測(cè)抱閘打開(kāi)時(shí)各個(gè)信號(hào)點(diǎn)是否處于正常狀態(tài)，如果某一點(diǎn)存在問(wèn)題可以一目了然的了解到情況并及時(shí)處理，保證電鏟工作在正常狀態(tài)。PLC設(shè)計(jì)升級(jí)圖如圖3所示，修改后觸摸屏主畫(huà)面如圖4所示。

5 結(jié) 論

針對(duì)該系統(tǒng)的控制軟件部分，通過(guò)修改PLC和觸摸屏程序后邏輯為抱閘打開(kāi)情況下，氣壓監(jiān)測(cè)和機(jī)械限位同時(shí)傳回動(dòng)作信號(hào)才會(huì)報(bào)故障，增加了信號(hào)的容錯(cuò)率，提高了電鏟的穩(wěn)定性，基本上杜絕了因抱閘限位或抱閘壓力傳感器信號(hào)問(wèn)題而引起的故障時(shí)間。同時(shí)以報(bào)警和計(jì)數(shù)的方式顯示在觸摸屏上。一方面會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)觸摸屏?xí)霈F(xiàn)報(bào)文提醒司機(jī)查看故障，存在問(wèn)題一目了然，有力的保證了挖掘機(jī)的正常狀態(tài)。

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