基于嵌入式軟PLC的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

朱偉， 王虹， 李首濱， 趙文生

(1.煤炭科學(xué)研究總院 智能控制技術(shù)研究分院， 北京 100013； 2.中國煤炭科工集團(tuán)有限公司， 北京 100013； 3.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

0 引言

掘進(jìn)機(jī)是井下綜掘開辟巷道的關(guān)鍵裝備，其自動化水平制約著我國煤礦掘進(jìn)速度和質(zhì)量[1-4]，提升掘進(jìn)機(jī)自動化水平成為綜掘自動化實現(xiàn)的重點。掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)是承載自動化方案的載體，目前掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)廣泛采用普通PLC或?qū)Ｓ每刂破髯鳛橄到y(tǒng)控制核心。以普通PLC為核心的控制系統(tǒng)拓展模塊多、成本高，且掘進(jìn)作業(yè)應(yīng)用軟件與硬件綁定，難以實現(xiàn)跨平臺移植，生產(chǎn)廠商各自為戰(zhàn)，存在大量重復(fù)投入現(xiàn)象[5]，把PLC裝入隔爆外殼用于井下，導(dǎo)致抗振性能差、壽命短、維護(hù)量大。劉國鵬[6-7]針對上述以PLC為核心的控制系統(tǒng)存在防護(hù)等級低、環(huán)境適應(yīng)性差等問題，采用工程機(jī)械專用Inter Control控制器實現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的本機(jī)控制、遠(yuǎn)程遙控、整機(jī)參數(shù)實時監(jiān)測和動態(tài)特征提取，采用PAC系列工程控制器實現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的多種智能化截割功能。王蘇彧等[8]提出了基于PCC(可編程計算機(jī)控制器)的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)任意巷道斷面自動截割成形、截割臂恒功率自動牽引調(diào)速、機(jī)身位姿自動檢測、定向掘進(jìn)及全功能遙控等功能。這些控制系統(tǒng)采用的專用控制器成本普遍較高，且專用控制器的核心技術(shù)掌握在國外控制器廠商手里。不同裝備采用的系統(tǒng)核心來自不同品牌，其平臺和標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一也導(dǎo)致了綜掘工作面的集中控制難以實現(xiàn)。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)控制需求開發(fā)掘進(jìn)機(jī)專用的控制系統(tǒng)核心，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動化控制，并配合綜掘工作面其余裝備實現(xiàn)集中控制是國內(nèi)廠商必須面對的“卡脖子”難題，開發(fā)相關(guān)控制器是當(dāng)前煤礦裝備行業(yè)迫切需要解決的問題。

本文針對現(xiàn)有以普通PLC和專用控制器為核心的煤礦掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)存在開發(fā)成本高、維護(hù)量大、跨平臺移植難等問題，設(shè)計了基于嵌入式軟PLC技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，在自主設(shè)計的嵌入式平臺中移植軟PLC的運(yùn)行時系統(tǒng)(Runtime System,RTS)，利用軟件資源實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)信號處理和通信交互，有效擺脫了掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)核心模塊受制局面?？刂葡到y(tǒng)吸取軟邏輯、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組態(tài)化的思想，可更好實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)裝備的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和控制系統(tǒng)的組態(tài)開發(fā)，便于實現(xiàn)綜掘工作面裝備集中控制。控制系統(tǒng)有良好的開發(fā)生態(tài)和可嵌入智能算法模塊的開放控制算法接口，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、體系開放、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)和成本低等[9]優(yōu)點，便于集成智能化截割等先進(jìn)控制功能。

1 系統(tǒng)控制功能需求分析和實現(xiàn)原理

基于嵌入式軟PLC的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)需實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)電動機(jī)、電鈴、照明燈等電氣部件的邏輯控制、整機(jī)運(yùn)行的綜合保護(hù)和故障顯示等基本功能，與液壓系統(tǒng)相配合通過操作本安操作箱實現(xiàn)整機(jī)的生產(chǎn)作業(yè)。除要實現(xiàn)上述基本功能外，無線遙控、自動截割控制、定向掘進(jìn)、位姿檢測、故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控等自動化控制功能可依據(jù)實際需求進(jìn)行定制，自動化控制功能需在本機(jī)添加智能傳感器和其他裝置并采用不同的實現(xiàn)方案，達(dá)到掘進(jìn)作業(yè)少人化、無人化，提高作業(yè)效率和質(zhì)量的目的。

根據(jù)系統(tǒng)控制功能需求分析，本文設(shè)計的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)以嵌入式軟PLC為核心，具有各電動機(jī)的啟停和保護(hù)、系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)、照明、報警、人機(jī)界面顯示、電磁閥動作、狀態(tài)監(jiān)測等本機(jī)基本控制功能及自動截割控制、遠(yuǎn)程遙控功能。掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示。開發(fā)層提供軟PLC組態(tài)開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用不同應(yīng)用程序靈活配置所開發(fā)的工程。應(yīng)用層與實際的設(shè)備實現(xiàn)對接，針對掘進(jìn)機(jī)控制需求開發(fā)庫和應(yīng)用程序，并為開發(fā)者提供相應(yīng)接口。平臺層為軟PLC與操作系統(tǒng)間的交互對接中間層，與操作系統(tǒng)相適配以實現(xiàn)底層接口的調(diào)用，把其封裝作為驅(qū)動和組件集成到運(yùn)行時系統(tǒng)中，實現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)對設(shè)備驅(qū)動的調(diào)用。系統(tǒng)層以Linux為基礎(chǔ)平臺，其集成了與硬件一一對應(yīng)的驅(qū)動程序和接口，可有效調(diào)動硬件資源，同時為上層軟件架構(gòu)提供穩(wěn)定可靠的接口。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理Fig.1 System implementation principle

嵌入式軟PLC以ARM-Linux為平臺基礎(chǔ)，采用CODESYS軟件生態(tài)，在開發(fā)層開發(fā)的掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用程序通過串口或以太網(wǎng)下載至平臺層，應(yīng)用程序中的文件轉(zhuǎn)為二進(jìn)制存放在平臺層，根據(jù)設(shè)定執(zhí)行方式循環(huán)執(zhí)行程序，最終實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)控制程序處理、設(shè)備和系統(tǒng)資源(如時鐘資源、內(nèi)存資源)調(diào)度等功能，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)機(jī)載附屬設(shè)備的邏輯控制、信號采集、信號處理和協(xié)議通信等。

2 系統(tǒng)設(shè)計

掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)采集主令電器、傳感器和各保護(hù)器的輸入信號，輸入信號包括線圈自保護(hù)、急停按鈕、操作箱輸入、各電動機(jī)超溫過流故障保護(hù)、控制回路漏電閉鎖保護(hù)、瓦斯閉鎖、繼電器反饋、信號反饋板使能等開關(guān)量信號及系統(tǒng)電壓、油位、油溫、瓦斯和截割溫度等模擬量信號，輸入信號由嵌入式軟PLC分析、處理并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后做出決策。通過中間繼電器驅(qū)動電動機(jī)接觸器實現(xiàn)電動機(jī)啟停，通過中間繼電器線圈失電實現(xiàn)過流、過載、斷相保護(hù)，通過溫度開關(guān)動作繼電器實現(xiàn)過溫保護(hù)，通過PWM輸出驅(qū)動實現(xiàn)比例電磁閥動作(控制懸臂升降和擺動、左右履帶行走和張緊)，開啟照明燈或報警裝置進(jìn)行故障指示，對傳感器信號進(jìn)行處理后通過顯示屏即時顯示，接收并處理遙控接收機(jī)傳輸?shù)男盘柕萚10]。自動化控制涉及的控制策略和智能算法模塊在開發(fā)系統(tǒng)中開發(fā)，并被IEC應(yīng)用程序調(diào)用。掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的電氣綜合保護(hù)控制，可對掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，可通過遙控器實現(xiàn)全功能遠(yuǎn)程遙控，整機(jī)控制操作方式可選遙控或本地操作，可通過設(shè)定斷面形狀、路徑類型、巷道高度、巷道寬度和截割間距等參數(shù)實現(xiàn)巷道斷面的自動截割成形，截割操作方式可選用人工或自動。

圖2 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)
Fig.2 Architecture of roadheader control system

2.1 嵌入式軟PLC平臺設(shè)計

2.1.1 硬件設(shè)計

為滿足上述基本控制和自動化控制需求，選取高性能、超高效率的NXP i.MX6UL作為核心處理器，除時鐘、復(fù)位、調(diào)試電路，電源保護(hù)和轉(zhuǎn)換電路，CAN、RS232、RS485通信電路和Micro SD接口電路外，針對掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)需設(shè)計足夠的I/O接口。設(shè)計了采集按鈕開關(guān)狀態(tài)的數(shù)字量輸入電路、采集傳感器信號的模擬量輸入電路、數(shù)字量驅(qū)動電路、PWM輸出驅(qū)動和電流反饋電路等，硬件架構(gòu)如圖3所示，i.MX6UL輸出的數(shù)字量信號和PWM信號微弱，需要進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動繼電器線圈和比例電磁鐵線圈。

此外，實現(xiàn)比例線性控制的比例電磁鐵線圈在工作時會產(chǎn)生焦耳熱量，溫度升高會導(dǎo)致線圈電阻率升高，進(jìn)而使得線圈阻值變大，通過線圈的電流就會減小，致使輸出電流不穩(wěn)定，影響控制精度，故設(shè)計了比例電磁鐵線圈的高邊電流檢測電路，通過精密采樣電阻采集與電流成比例的電壓，電壓經(jīng)放大后接入模擬量輸入接口并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)微處理器分析后通過與設(shè)定電流的偏差比較實現(xiàn)電流的動態(tài)調(diào)節(jié)。

2.1.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)定制

嵌入式軟PLC作為掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)核心，除了

圖3 嵌入式軟PLC平臺硬件架構(gòu)Fig.3 Hardware architecture of embedded soft PLC platform

保證邏輯安全無誤外，還要滿足系統(tǒng)的時間響應(yīng)。Linux是一個通用的操作系統(tǒng)，從設(shè)計上并不適合于實時作業(yè)操作，但其符合POSIX1003.1b(可移植操作系統(tǒng)實時編程的標(biāo)準(zhǔn))關(guān)于實時拓展部分的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用整體內(nèi)核架構(gòu)中搶占式補(bǔ)丁方式提高系統(tǒng)的實時性，對內(nèi)核通過打補(bǔ)丁方式在特征中選擇Full Preemptionkernel(RT)替換內(nèi)核配置文件defconfig和系統(tǒng)驅(qū)動文件drivers后編譯輸出內(nèi)核。內(nèi)核打RT補(bǔ)丁后，測試主任務(wù)的抖動大幅度降低，滿足系統(tǒng)響應(yīng)需求。除實時化外，操作系統(tǒng)在參照板系統(tǒng)源碼的基礎(chǔ)上需對控制器新設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行開發(fā),不斷調(diào)試，實現(xiàn)Linux系統(tǒng)對硬件的邏輯操作。

2.1.3 軟PLC運(yùn)行時系統(tǒng)移植和驅(qū)動組件開發(fā)

運(yùn)行時系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，各功能模塊(通信、系統(tǒng)、內(nèi)核、應(yīng)用程序模塊等)都有標(biāo)準(zhǔn)的接口，這種模塊分層的思想使得不同模塊可單獨開發(fā)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。為使嵌入式平臺成為基于IEC61131-3的核心控制器，通過組件驅(qū)動和設(shè)備描述文件一步步實現(xiàn)底層變量與定義在開發(fā)層中的變量的映射，最終實現(xiàn)應(yīng)用層對各硬件管腳的控制，實現(xiàn)過程如下：

(1) 安裝帶有基本組件和附加組件的運(yùn)行時系統(tǒng)開發(fā)工具包，通過修改系統(tǒng)組件和系統(tǒng)配置組件源文件實現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)與運(yùn)行時系統(tǒng)間的通信(包括定義通信方式、端口編號、波特率值等)和其他掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)核心需求功能。在工具包的Native目錄創(chuàng)建3個文件夾：Projects放置運(yùn)行系統(tǒng)解決方案工程，Sys拷貝全部系統(tǒng)組件，Rts Config放置從Rts Configurator引導(dǎo)工具中選取的功能組件、系統(tǒng)依賴源文件后導(dǎo)出的compact_NotImpl.h、compact.h和compact.c。在解決方案工程中添加Sys和Rts Config文件夾，新建存有組件和驅(qū)動的文件夾，還需添加系統(tǒng)配置文件和main.c文件，編譯解決方案工程，完成針對上述硬件的自定義運(yùn)行時系統(tǒng)的構(gòu)建，其啟動過程如圖4所示。

圖4 運(yùn)行時系統(tǒng)啟動過程Fig.4 Startup process of runtime system

(2) 實現(xiàn)定制驅(qū)動程序，添加I/O驅(qū)動模塊和集成的附加功能(外部庫)，連接外部系統(tǒng)等。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)核心的輸入輸出配置編寫驅(qū)動程序，以PLC Configure接口的形式編譯和連接到自定義的運(yùn)行時系統(tǒng)，提供給軟PLC開發(fā)系統(tǒng)調(diào)用，在控制器硬件設(shè)備上實現(xiàn)運(yùn)行。開發(fā)工具包提供了I/O驅(qū)動框架，根據(jù)系統(tǒng)核心的硬件配置，在驅(qū)動框架中通過修改IoDrvUpdateConfiguration()、IoDrvReadInputs()、IoDrvWriteOutputs()函數(shù)，將內(nèi)存數(shù)據(jù)搬至?xí)捍鎱^(qū)；通過修改IoDrvCopyInputData()、IoDrvCopyOutputData()函數(shù)，將輸入端口引腳狀態(tài)寫入緩沖區(qū)，輸出端口數(shù)據(jù)寫入具體引腳。最后需分別將每一個I/O驅(qū)動模塊的入口填入到Compact.h中，交叉編譯得到I/O組件的鏈接庫文件，并在.cfg配置文件添加寫好的各驅(qū)動組件名稱。針對平臺層組件，需編寫內(nèi)核模塊的配置文件，添加I/O接口配置，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備訪問和數(shù)據(jù)傳遞，完成驅(qū)動開發(fā)，重新編譯并燒寫內(nèi)核。每一個功能模塊驅(qū)動都要進(jìn)行如上的修改過程。

(3) 根據(jù)實際硬件I/O編寫設(shè)備描述文件(文件類型為XML)，提供給軟PLC開發(fā)系統(tǒng)，需根據(jù)硬件平臺定義設(shè)備描述文件的Types(類型)、Strings(說明)、Device(設(shè)備，包括設(shè)備識別、設(shè)備信息、連接器、驅(qū)動信息和子對象)和Modules(驅(qū)動模塊)等，最終導(dǎo)入軟PLC開發(fā)系統(tǒng)并展示出整體資源表。

2.2 控制系統(tǒng)功能開發(fā)

掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)主程序流程如圖5所示，開發(fā)語言采用符合IEC61131-3編程語言國際標(biāo)準(zhǔn)[11]的結(jié)構(gòu)化文本ST語言和圖形化FBD功能塊圖語言，實現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)判斷處理、通信、電動機(jī)邏輯控制啟停、綜合保護(hù)控制(為了作業(yè)安全，ST程序設(shè)定了聯(lián)鎖功能)、PWM 輸出控制等，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控功能的電氣操作信號開關(guān)、液壓操作信號指令元件與操作箱按鈕、液壓系統(tǒng)操作桿對應(yīng)。遙控模式下，操作箱除急停按鈕外，其他功能無效?；究刂乒δ艿目刂七壿嫼统绦蜷_發(fā)相對簡便，其子程序的開發(fā)流程在此不做闡述。

圖5 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程Fig.5 Main program flow of roadheader control system

對于重點實現(xiàn)的自動截割功能，為掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)配備懸臂垂直傾角傳感器、懸臂水平擺角傳感器和行程位移傳感器等，軟PLC通過模擬量采集端口采集傳感器信號，計算截割頭當(dāng)前位置，并與巷道邊界進(jìn)行比較，通過編程控制電液比例閥組各閥口的開閉和開度，最終實現(xiàn)懸臂的回轉(zhuǎn)升降、液壓缸的啟停順序和比例閥閥口流量控制，使得截割懸臂根據(jù)設(shè)定路徑準(zhǔn)確截割，實現(xiàn)掃底、斷面成形和刷幫自動化。編程中需根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的不同機(jī)型設(shè)定斷面的截割尺寸，通過實時將截割頭位置信息與設(shè)定的垂直截割距離、水平截割寬度及斷面總高度的判斷進(jìn)行比較決定每一步的截割頭的運(yùn)動方向，自動截割控制流程如圖6所示。

圖6 自動截割控制流程Fig.6 Automatic cutting control process

除完成的自動截割控制和遠(yuǎn)程遙控功能外，更多的自動化功能可進(jìn)一步開發(fā)，先進(jìn)的控制策略和智能的附屬設(shè)備有待引進(jìn)，如開發(fā)懸臂擺速自適應(yīng)控制功能，通過比較截割電動機(jī)實際電流與額定電流改變控制電液比例閥閥口開度的電流，實現(xiàn)擺速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；開發(fā)定向掘進(jìn)控制功能，系統(tǒng)核心通過位姿檢測得到位置數(shù)據(jù)，調(diào)整比例電磁閥開度進(jìn)而控制行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，通過左右行走的速度控制擺正掘進(jìn)機(jī)位置，實現(xiàn)定向掘進(jìn)。在軟PLC組態(tài)環(huán)境中，可將不同自動化功能固化成模塊，或采用軟PLC生態(tài)中已成熟的智能模塊，根據(jù)系統(tǒng)需求定制或調(diào)用相應(yīng)模塊，方便不同功能掘進(jìn)機(jī)間的移植。

3 系統(tǒng)測試

3.1 嵌入式軟PLC板級性能測試

為保證嵌入式軟PLC作為控制系統(tǒng)核心實現(xiàn)控制功能，對硬件電路各模塊的基本功能進(jìn)行測試。記錄電源輸出電壓，測試電源功能的穩(wěn)定性；編寫測試程序，用萬用表測試數(shù)字量輸出功能；使用手動開關(guān)測試數(shù)字量采集功能；通過讀取微控制器寄存器的值計算電壓值，測試模擬量采集功能；通過發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試通信功能。軟PLC硬件電路測試及RS232接口測試如圖7所示。測試結(jié)果表明各功能模塊均通過了測試，工作正常。通過示波器觀察RS232接口的收發(fā)數(shù)據(jù)波形，根據(jù)串行數(shù)據(jù)的格式解析波形可以看出，RS232接口接收到的數(shù)據(jù)正確，計算得到的波特率正確。

(a) 軟PLC硬件電路測試

(b) RS232接口接收數(shù)據(jù)波形

(c) RS232接口發(fā)送數(shù)據(jù)波形

3.2 比例控制原理及測試

在掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)眾多自動化控制方案中，比例控制作為關(guān)鍵技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用，自動化功能的實現(xiàn)均基于PWM輸出驅(qū)動比例電磁閥的開度，比例電磁閥響應(yīng)速度、控制精度和開口大小是影響對應(yīng)懸臂或履帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的3個關(guān)鍵因素，比例控制也是嵌入眾多智能算法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)性整機(jī)試驗之前，嵌入式軟PLC除保證控制器性能穩(wěn)定外,還應(yīng)實現(xiàn)比例電磁閥穩(wěn)定的比例輸出。

比例電磁閥在電路中可以等效為線圈L和電阻R的串聯(lián)，在時域中根據(jù)等效電路的電流關(guān)系可計算得到通過比例電磁鐵的瞬時電流。

(1)

式中：i(t)為比例電磁鐵線圈瞬時電流；U為加在線圈兩端的電壓；R為電阻值；T和D分別為PWM的周期和占空比；τ為比例電磁閥的電氣時間常數(shù)。

由式(1)計算得到t=TD和t=T時刻的電流值，根據(jù)兩時刻電流值可算得線圈平均電流I為

I=(U/2R)×

(2)

由式(2)可知，通過調(diào)節(jié)占空比可以近似實現(xiàn)線圈平均電流的線性調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)閥芯運(yùn)動的調(diào)節(jié)。

為測試嵌入式軟PLC比例控制功能的穩(wěn)定性，設(shè)計了電流實時補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)PI控制，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中K2/(Ts+1)為電流反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),K1,K2,K3為常數(shù)，T=L/R。根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)仿真結(jié)果，設(shè)置PWM頻率為比例電磁閥固有頻率的8倍，KP和KI為PI控制[12]的比例、積分增益系數(shù)，在程序中經(jīng)反復(fù)調(diào)整得到滿意的響應(yīng)。相對于模擬式的控制方式，PWM驅(qū)動功耗低且抗干擾能力強(qiáng)，相比于無電流反饋的比例控制，閉環(huán)控制方式性能更可靠、控制精度更高、整機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)[13-15]。

圖8 電流實時補(bǔ)償結(jié)構(gòu)Fig.8 Real-time current compensation structure

把PWM驅(qū)動接口接至試驗臺比例電磁閥，通信接口與遙控接收機(jī)連接，通過遙控器控制比例電磁閥的相關(guān)動作，測試得到比例電磁閥的響應(yīng)時間小于600 ms，符合掘進(jìn)機(jī)對比例電磁閥的響應(yīng)時間要求，且比例輸出穩(wěn)定。通過改變比例電磁閥指令元件開度記錄其工作電流，通過改變程序中PWM占空比記錄其閥口壓力，經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理后得到的關(guān)系曲線如圖9、圖10所示。

在設(shè)計的比例驅(qū)動閉環(huán)控制中，對于不同電壓規(guī)格的隔爆比例電磁閥，指令元件開度與其工作電流具有良好的線性關(guān)系。且PWM占空比對比例電磁閥輸出壓力的調(diào)節(jié)接近比例電磁閥的理論調(diào)節(jié)曲線，在占空比小于0.1時,比例電磁閥位于死區(qū)，占空比大于0.1后，兩者的線性度良好，比例特性指標(biāo)滿足工業(yè)要求。

圖9 指令元件開度與實際工作電流的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between opening of command component and actual current

圖10 PWM占空比與比例電磁閥輸出壓力的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curves between PWM duty cycle and proportional electromagnetic valve output pressure

3.3 系統(tǒng)整機(jī)功能測試

目前，采用嵌入式軟PLC作為控制核心的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的基本控制、全遙控、自動截割等功能已在懸臂式掘進(jìn)機(jī)整機(jī)試驗完成。掘進(jìn)機(jī)自動截割實驗現(xiàn)場如圖11所示，掘進(jìn)機(jī)根據(jù)設(shè)定的S路徑自動截割，圖中展示了自動截割過程中的6個位置，位置1為截割起始位置，經(jīng)位置2水平截割至位置3，然后向上截割至位置4，經(jīng)位置5反方向水平截割至位置6。試驗結(jié)果表明：控制系統(tǒng)基本功能良好、響應(yīng)速度快，硬件可靠性滿足要求，自動截割誤差滿足掘進(jìn)巷道截割斷面邊界檢測最大誤差小于10 cm的要求。

圖11 掘進(jìn)機(jī)自動截割實驗現(xiàn)場圖像Fig.11 Automatic cutting experiment site pictures of roadheader

4 結(jié)論

(1) 基于嵌入式軟PLC的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)基本邏輯控制、保護(hù)、遙控、自動截割等功能。相比于以PLC和專用控制器為系統(tǒng)核心的控制系統(tǒng)，采用嵌入式軟PLC的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)有效地降低了開發(fā)成本，其組態(tài)、開放、共享的模塊化和軟邏輯思想促進(jìn)了掘進(jìn)智能控制方案的集成，降低了掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)維難度，提高了開發(fā)效率，也極大地便利了用戶的二次開發(fā)和程序升級。控制系統(tǒng)跨平臺移植性好，可通過在開發(fā)系統(tǒng)拖拽設(shè)備模塊組件的方式定制不同的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的硬件可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。

(2) 測試結(jié)果表明：軟PLC板級性能穩(wěn)定，在比例控制的表現(xiàn)上，比例電磁閥的工作電流與設(shè)定值、輸出壓力與占空比之間線性度好，響應(yīng)時間小于600 ms?；谲汸LC的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了邏輯控制、信號采集、通信功能和穩(wěn)定的比例閉環(huán)控制。通過整機(jī)測試驗證該系統(tǒng)基本控制功能和遙控操作性能良好，自動截割斷面邊界最大誤差小于10 cm。

(3) 以軟PLC為核心的控制系統(tǒng)成熟度還需工業(yè)性試驗和實際生產(chǎn)的檢驗，基于嵌入式軟PLC平臺的面向掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)工藝改進(jìn)的更多應(yīng)用功能模塊集、更豐富的智能控制方案、更先進(jìn)的控制算法是未來開發(fā)工作的重點。