基于PLC的掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)的研究

王 強(qiáng)

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

目前，掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的控制方式多采用作業(yè)人員根據(jù)采煤機(jī)工作時(shí)所遇到的地質(zhì)條件進(jìn)行人工判斷，調(diào)整掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的截割速度及進(jìn)給速度，避免截割機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)因超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致?lián)p壞[1]。該控制方式對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)依賴性極大、可靠性差，會(huì)頻繁導(dǎo)致截割機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于欠載、超負(fù)荷運(yùn)行的情況，不但嚴(yán)重影響了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度而且也極大降低了電機(jī)的使用壽命。為確保掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的穩(wěn)定性和使用壽命，就需要確保掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)處于恒功率輸出狀態(tài)。

1 掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速控制原理及整體結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)，截割結(jié)構(gòu)所輸出的截割轉(zhuǎn)矩和掘進(jìn)機(jī)的牽引速度成正比，同時(shí)其轉(zhuǎn)矩也取決于所截割的巖壁硬度，當(dāng)截割機(jī)構(gòu)截割硬度較大的巖壁時(shí)會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載迅速升高，這個(gè)時(shí)候?yàn)榱吮Ｗo(hù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就需要自動(dòng)降低掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)給速度，從而確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)能高效、安全的運(yùn)行。

本文提出的基于PLC的掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，在掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流進(jìn)口設(shè)置電流監(jiān)測(cè)裝置，確保在工作過程中能對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工作電流進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)，然后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字模擬量信號(hào)，模擬信號(hào)通過數(shù)據(jù)總線傳遞到PLC控制模塊，經(jīng)處理后由數(shù)據(jù)處理擴(kuò)展模塊傳遞送給系統(tǒng)的CPU單元，在該單元內(nèi)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量模擬信號(hào)重新轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，在轉(zhuǎn)換過程中系統(tǒng)PLC控制模塊會(huì)將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的理論電流信號(hào)與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，得出電流的變化情況，然后同系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的模糊判斷規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，利用PLC的模糊處理功能對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出模擬量的控制信號(hào)并將控制信號(hào)輸送到系統(tǒng)的變頻控制單元，變頻控制單元輸出變頻調(diào)制信號(hào)控制對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)給速度的控制，確保掘進(jìn)機(jī)在工作中處于恒功率控制狀態(tài)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于PLC的PID模糊控制系統(tǒng)

基于PLC的PID模糊控制系統(tǒng)的邏輯控制流程如下頁圖2所示，該控制原理是系統(tǒng)的各輸入的監(jiān)測(cè)信號(hào)KP、KI及KD能夠不斷根據(jù)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流的變化情況進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際應(yīng)用的過程中為確保對(duì)數(shù)據(jù)信息模糊處理的準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了一系列的實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際測(cè)算結(jié)果建立了一個(gè)完整的基于PLC的模糊控制規(guī)則[3]，使控制系統(tǒng)在不同的數(shù)據(jù)信號(hào)偏差和偏差變化率情況下均能表現(xiàn)出穩(wěn)定、高效的控制效果。在系統(tǒng)最初運(yùn)行的階段，電流的偏差值較大，因此需對(duì)KD取較小的值，以確保在工作過程中不會(huì)出現(xiàn)微分溢出而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分析失真，同時(shí)對(duì)KP取值時(shí)可以取較大的數(shù)值，以提高系統(tǒng)響應(yīng)的速度和靈敏性。KI取值時(shí)應(yīng)同步取較小的數(shù)值用于對(duì)數(shù)據(jù)處理過程中的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行一定的抑制，提高數(shù)據(jù)處理的精確性，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)整階段后，系統(tǒng)將自行根據(jù)電流變化情況進(jìn)行調(diào)整。

3 恒功率調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析

為了對(duì)該新的掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過電流監(jiān)測(cè)傳感器，將監(jiān)測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流的變化情況進(jìn)行了記錄，結(jié)果如下頁圖3所示。

圖2 基于PLC的PID模糊控制流程示意圖

圖3 掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的電流實(shí)時(shí)變化情況

利用MATLAB仿真分析軟件[4]，在Simulink模塊下建立基于PLC的掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID自控?cái)?shù)學(xué)模型，將系統(tǒng)的階躍響應(yīng)信號(hào)用于模擬控制系統(tǒng)工作時(shí)的模擬電流信號(hào)，在A點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)添加上模擬截割機(jī)構(gòu)切割硬質(zhì)巖石的偏差擾動(dòng)，在B點(diǎn)對(duì)其添加軟質(zhì)巖石截割信號(hào)的偏差擾動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整功能進(jìn)行分選，結(jié)果如圖4所示。

由圖3、圖4的分析結(jié)果可知，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)切割到硬質(zhì)的巖石后，截割阻力迅速增大，造成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)大的躍升，工作電流同步增加，此時(shí)恒功率調(diào)速系統(tǒng)接受到電流反饋后啟動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)截割滾筒的截割轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的截割功率下降到穩(wěn)定值。同理當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在截割到軟質(zhì)的巖層時(shí)，電機(jī)的工作電流隨之降低，恒功率調(diào)速系統(tǒng)則控制變頻器加大電流頻率，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，直到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率維持在穩(wěn)定的值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作的恒功率控制。

圖4 基于PLC的PID模糊控制流程示意圖

由試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果可知，在基于PLC的掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)控作用下，掘進(jìn)機(jī)在各種工況下均能維持恒功率工作狀態(tài)，不僅避免了驅(qū)動(dòng)電機(jī)超負(fù)荷工作時(shí)帶來的運(yùn)行故障，而且確保了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速率，極大提升了煤礦井下的綜采效率。

4 結(jié)論

該恒功率調(diào)速控制系統(tǒng)能夠根據(jù)掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)截割滾筒受到的截割阻力自動(dòng)對(duì)其工作情況進(jìn)行調(diào)整，給出最佳的運(yùn)行參數(shù)，極大提升了掘進(jìn)機(jī)的響應(yīng)速度，降低了工作時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量，確保了截割機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常工作，提升了掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性和使用壽命，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。