礦井掘進機基于PLC控制下的關(guān)鍵模塊設(shè)計及功能研究

張軍軍

（山西陽城陽泰集團竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

1 PLC控制器概述

為了進一步提高竹林山煤礦掘進機整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，竹林山煤礦掘進機的電氣控制系統(tǒng)采用以PLC為控制器的液壓模塊、刀盤模塊以及主從機連接總線的分布式智能控制。

在擴展模塊與姿態(tài)傳感器的作用下，PLC控制器[1]可以和配電柜電表進行通信。掘進機系統(tǒng)的主機PLC控制器的任務(wù)主要是負責與其他分布式設(shè)備通信、讀取數(shù)據(jù)。掘進機的液壓系統(tǒng)被從機PLC控制器操控。在PLC控制器作用下，比例換向閥和變量柱塞泵由模擬量輸出模塊控制；電液換向閥和球閥能夠?qū)崿F(xiàn)自身功能，主要靠PLC控制下的數(shù)字量輸出模塊作用；能夠記錄液壓油缸行程、壓力、油液溫度，是在PLC控制下模擬量輸入模塊中的傳感器讀取的；為了解液位狀態(tài)和過濾器工作情況，PLC控制下的數(shù)字量輸入模塊就能達到要求。掘進機在PLC控制器作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)提供短路和過載保護功能，為掘進機工作的整個工作系統(tǒng)穩(wěn)定性提供足夠的保障。竹林山煤礦掘進機電氣控制系統(tǒng)基于PLC作用下各個模塊名稱、型號以及配備數(shù)量詳見表1所示。

表1 PLC控制器上的模塊選擇

根據(jù)掘進機工作性能、工作環(huán)境、控制系統(tǒng)的輸入輸出需要，并集合PLC的控制特性，對竹林山煤礦掘進機控制系統(tǒng)的液壓模塊、刀盤模塊、掘進控制模塊等關(guān)鍵性模塊進行設(shè)計和功能說明。

2 液壓模塊設(shè)計

2.1 PLC控制下的液壓模塊功能

掘進機控制系統(tǒng)[2]的主機PLC發(fā)出液壓控制指令，液壓控制模塊立即執(zhí)行PLC的指令，傳感器采集到的數(shù)據(jù)由液壓模塊傳送到主機PLC控制器和液壓系統(tǒng)的顯示屏上。

PLC控制下的液壓模塊能夠指揮油缸支撐動作，使得掘進機推進刀盤。液壓系統(tǒng)中的八個油缸協(xié)同完成支撐動作，上層的四個油缸和下層的四個油缸能夠克服掘進機在刀盤旋轉(zhuǎn)受到的反向作用力，還可以在支撐板上的協(xié)助下，不斷調(diào)整掘進機在掘進時井壁的高度。采用機械強制同步動作，并聯(lián)的四個油缸共同作用在刀盤上，使其不斷向前推進，使刀盤在掘進過程中伸出或退回。

2.2 PLC控制的液壓模塊設(shè)計

在從機PLC上編寫程序運行代碼，通過總線與主機PLC通信[3]，得到主機PLC命令后，液壓模塊將執(zhí)行該命令。設(shè)計的液壓模塊必須能夠在主機的命令下，控制液壓器件的執(zhí)行動作，協(xié)調(diào)并控制油泵、換向閥和比例閥三者之間的功能。主機PLC收到總線通信中傳來傳感器收集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)進行分析后，控制液壓動作閉環(huán)，并把液壓系統(tǒng)實時工作情況反饋到液壓顯示屏上。

基于PLC控制的液壓模塊可以支撐掘進機實現(xiàn)單獨運動、成組運動和分層運動。PLC控制器上的液壓模塊令控制八個支撐靴板運動，控制器的旋鈕即可調(diào)整伸縮速度，這就是單獨運動模式。在PLC控制器上液壓模塊控制著某一方向安裝的正、反向的支承油缸，若一個油缸按正向運動，同時反向安裝的油缸就朝相反方向運動，這就是成組運動模式。PLC主令面板下的液壓模塊控制著上下兩層油缸的同伸同縮，伸縮速度通過面板上的旋鈕調(diào)節(jié)。

液壓模塊控制下的主油泵油路在推進油缸的過程中，可以實現(xiàn)快速運動，也可以使得副油泵油路慢速運轉(zhuǎn)。推進油缸快速運動是在快速支撐和縮回的兩個環(huán)節(jié)中實現(xiàn)，保持油缸足夠壓力則是靠慢速微調(diào)，這樣掘進機掘進時，與巖壁有足夠的支撐力，也能調(diào)整掘進機在掘進過程中跑偏問題。

3 刀盤模塊和掘進模塊設(shè)計

3.1 刀盤模塊設(shè)計

根據(jù)選定的四臺刀盤電機驅(qū)動、電機負載、運行速度等情況設(shè)計刀盤控制模塊，刀盤模塊不僅要實現(xiàn)控制刀盤作用，還要能夠診斷電機故障以及電機運行工況。首先選擇合適的驅(qū)動型號的變頻器，滿足變頻器與PLC控制器信息交流的同時，再設(shè)計滿足掘進機刀盤使用要求的模塊，最終控制刀盤的動作。

刀盤驅(qū)動模塊設(shè)計時要考慮與刀盤電機變頻器匹配。通過刀盤電機驅(qū)動控制需求，要求刀盤模塊既能協(xié)調(diào)控制、均衡負載，還可調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)與PLC總控器的聯(lián)系。竹林山煤礦掘進機系統(tǒng)中的刀盤模塊選用ACS900系列變頻器，該系列的變頻器采用先進的DTC控制轉(zhuǎn)矩，是現(xiàn)下較為先進的控制交流電機的變頻器[4]，而且該系列的模塊能夠支持編程，與其他模塊可以很好的銜接。該系列的刀盤模塊與現(xiàn)場配適器總線通信，快速實現(xiàn)與主機PLC交換信息。

實時監(jiān)控掘進機基于PLC控制下刀盤驅(qū)動模塊在工作中的信息。掘進機電機電壓、電流和轉(zhuǎn)速等均可被刀盤模塊掌握，若刀盤發(fā)生故障，該刀盤模塊自動啟動診斷命令，進行檢測，將檢測的信息傳輸?shù)絇LC控制器，同時還會向變頻器發(fā)出控制轉(zhuǎn)速的命令。采用該系列的刀盤模塊能夠?qū)崿F(xiàn)總線數(shù)據(jù)雙向通信，確保信息穩(wěn)定，刀盤工作可靠。ACS900系列刀盤模塊通過讀取電機轉(zhuǎn)速返回的編碼器上的信息，采用閉環(huán)的形式控制電機轉(zhuǎn)速；在與光纖擴展通信模塊聯(lián)系下，實現(xiàn)變頻器采用“一主三從”驅(qū)動方式，同時控制四臺電機運轉(zhuǎn)進而達到控制刀盤旋轉(zhuǎn)的目的。

3.2 掘進控制模塊設(shè)計

掘進機有手動掘進和自動掘進兩種操作模式。兩者掘進動作一樣，在操作面板上通過切換按鈕實現(xiàn)掘進模式的轉(zhuǎn)變。掘進機手動掘進模式是操作人員在遠程控制主機上操作或者在掘進機的掘進控制室里進行操作，這樣掘進機在操作人員的操作下運行；掘進機的自動掘進模式則是掘進機自動完成掘進過程，操作員只需在監(jiān)控室里監(jiān)視，一旦發(fā)生故障、安全等情況可立即結(jié)束自動掘進。

掘進機控制模塊可以使掘進機在一個周期內(nèi)“邁步式”掘進運動，在掘進模塊控制下的掘進流程如圖1。掘進機姿態(tài)調(diào)整是在支撐油缸執(zhí)行命令動作后進行，實現(xiàn)正常支撐后，掘進機在電機驅(qū)動下刀盤旋轉(zhuǎn)開來，慢慢推進油缸，最大伸出長度被油缸推進達到，破巖刀盤旋轉(zhuǎn)停止。在刀盤抵觸巖石工作面時，掘進控制模塊發(fā)出油缸收回的命令，在牽引鋼纜協(xié)同配合下，推進油缸開始慢慢回收，掘進機整體往下移動，當控制的油缸完全收回時，支撐油缸以最大速度快速抵觸到巖壁，在掘進模塊控制下，慢慢調(diào)整掘進機掘進高度、力度等，然后又進入到下一個循環(huán)當中去。整個過程中，掘進機在基于PLC控制下的掘進模塊功能實現(xiàn)“邁步式”運動。

圖1 掘進流程

4 現(xiàn)場測試

對竹林山煤礦掘進機PLC控制下的液壓模塊、刀盤模塊以及掘進模塊設(shè)計后，通過調(diào)試、配置、連接，在竹林山煤礦對硬件和軟件進行了現(xiàn)場測試，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進一步完善和修改各個模塊，以確保竹林山煤礦在使用時PLC控制的各個模塊工作的可靠性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場測試地面監(jiān)控的場景如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場測試照片

PLC控制器與編程器相連接，掘進機各項設(shè)計模塊通過被STEP8在線監(jiān)測測試。確定一切準備工作就緒后，在操作人員、設(shè)計人員以及其他專業(yè)技術(shù)人員相互配合下，對掘進機工作期間的液壓控制模塊、刀盤模塊和掘進控制模塊進行測試。測試PLC控制下的液壓模塊運行情況、刀盤運轉(zhuǎn)狀況、電機運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、以及手動掘進與自動掘進模式的運行功能。通過現(xiàn)場測試，液壓模塊能夠?qū)崿F(xiàn)控制主油泵油缸推進速度和副油泵油路慢速運轉(zhuǎn)，掘進機作用巖壁動力充足，快速調(diào)整掘進機跑偏；ACS900系列刀盤模塊控制電機轉(zhuǎn)速和刀盤旋轉(zhuǎn)性能良好；掘進機在基于PLC控制下的掘進模塊功能實現(xiàn)“邁步式”運動。試驗結(jié)果表明基于PLC控制下設(shè)計的液壓模塊、刀盤模塊和掘進控制模塊合理可行，可以提高竹林山煤礦掘進機整個系統(tǒng)工作要求和標準。

5 結(jié)論

（1）PLC控制下的液壓模塊能夠執(zhí)行油缸支撐動作和刀盤在掘進過程中伸出或退回。液壓模塊能夠?qū)崿F(xiàn)控制主油泵油缸推進速度和副油泵油路慢速運轉(zhuǎn)，使掘進機作用巖壁動力充足，快速調(diào)整掘進機跑偏。

（2）根據(jù)電機驅(qū)動、電機負載、運行速度等情況，設(shè)計選用的ACS900系列液壓模塊，該模塊控制電機轉(zhuǎn)速和刀盤旋轉(zhuǎn)性能優(yōu)良。

（3）掘進控制模塊有手動掘進和自動掘進兩種操作模式，在基于PLC控制下的掘進模塊功能能使掘進機實現(xiàn)“邁步式”運動。