基于PLC 的全斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)分析

馮 宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)公司， 山西 大同 037003）

引言

我國(guó)煤礦采掘業(yè)正以每年8～12 m 的超速向地殼深處開(kāi)采，目前眾多煤礦采掘企業(yè)開(kāi)掘深度已經(jīng)達(dá)到了1 300 m，甚至開(kāi)始向更深開(kāi)發(fā)。煤礦開(kāi)采行業(yè)將逐步進(jìn)入1 500 m 大關(guān)。全斷面掘進(jìn)機(jī)作為新型礦采器械有著機(jī)械化程度高，人員配備少，系統(tǒng)故障率低，后期維護(hù)方便等天然優(yōu)勢(shì)，在近些年的煤炭開(kāi)采行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用并頗獲好評(píng)。而全斷面掘進(jìn)機(jī)的核心組成部位電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)劣與否，是會(huì)直接關(guān)系到企業(yè)礦采產(chǎn)量的重要因素。因此目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)電氣控制系統(tǒng)大多還是基于PLC 技術(shù)上開(kāi)發(fā)的，結(jié)合了PLC 技術(shù)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的全斷面掘進(jìn)機(jī)故障率低，后期維修便捷，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)上傳，且能夠?qū)罄m(xù)掘進(jìn)機(jī)的更新改進(jìn)、擴(kuò)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)內(nèi)地采行業(yè)的發(fā)展具有很深遠(yuǎn)的意義。

1 PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

全斷面掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1 所示，系統(tǒng)是由PLC 主控單元、人機(jī)界面、操作臺(tái)、遠(yuǎn)程箱、外部檢測(cè)系統(tǒng)、視頻數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)以及刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等主要部分組成[1]。PLC 主要操控由傳感器完成的對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行處理計(jì)算，并經(jīng)由傳感器反饋，進(jìn)而由執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照PLC 的命令狀態(tài)對(duì)掘進(jìn)機(jī)做出相應(yīng)的指示動(dòng)作命令，操控臺(tái)主要是一些顯示掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)的開(kāi)關(guān)以及命令按鈕；人機(jī)交互界面主要是顯示、儲(chǔ)存控制系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行工作狀態(tài)，且同時(shí)具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳的功能，能夠及時(shí)與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)共享，預(yù)留網(wǎng)絡(luò)通信端口與未來(lái)TBM 智能有效連接。而刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多臺(tái)130 kW 變頻電機(jī)的控制。

圖1 全斷面掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PLC 控制系統(tǒng)

2.1 PLC 硬件

本文考慮了實(shí)際控制系統(tǒng)要求，因此，西門子品牌57 主控制單元300 系列PLC 充分考慮了機(jī)器的集成控制，例如PLC 主控制單元的序列號(hào)輸入和輸出，模擬量獲取和通訊端口功能。作為PLC 命令程序，西門子57-300 核心CPU 具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)功能，以及開(kāi)關(guān)量和稀有量的檢測(cè)和判斷，以及模擬量的獲取和分析?？紤]到系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信有特殊要求，因此還選擇了西門子CPU319-3 PN/DP。Siemens 57-300PLC 具有出色的技術(shù)性能，它具有2048（FC），（FB），（DB），512KF3 工作存儲(chǔ)區(qū)，256/256 KB 過(guò)程映像區(qū)，512 S7 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，位操作指令時(shí)間僅適用于0.05 s，具有強(qiáng)大的計(jì)算和分析功能。

2.2 輸入輸出程序的結(jié)構(gòu)

當(dāng)在PLC 中設(shè)計(jì)其核心程序時(shí)，對(duì)于一般系統(tǒng)，我們將使用“傳感器輸入，處理操作，輸出執(zhí)行器”的簡(jiǎn)單程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)程序的邏輯控制過(guò)程中的輸入和輸出點(diǎn)更加復(fù)雜，因?yàn)槠胀ǖ木幊探Y(jié)構(gòu)不能滿足使用要求，并且整個(gè)面板不能得到很好的控制?；谏鲜鲈?，不僅系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)面臨著復(fù)雜的工作環(huán)境和基礎(chǔ)，而且原因在于我們采用了“傳感器輸入，圖像輸入，處理操作，圖像輸出和輸出”的TPM 結(jié)構(gòu)?！拜敵鰣?zhí)行程序”，以設(shè)計(jì)特定的程序。在PLC 的THE 結(jié)構(gòu)中，用于輸入和輸出的是圖像輸入和輸出的結(jié)構(gòu)，圖像輸入和輸出的邏輯控制，然后是圖像輸入和實(shí)際輸入以及圖像輸出和程序是與實(shí)際輸出分開(kāi)的，可以輕松靈活地調(diào)整上述方法，而無(wú)需更改輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系。當(dāng)我們需要根據(jù)場(chǎng)景的實(shí)際情況更改場(chǎng)景的輸入和輸出時(shí)，只需對(duì)程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可，為程序開(kāi)發(fā)人員節(jié)約了時(shí)間，如果某些硬件變化對(duì)程序的實(shí)際使用影響不大，直接用于同一類型的PLC 它只能重新定義圖像輸入和輸出與實(shí)際輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系，因此將來(lái)的程序開(kāi)發(fā)也很方便。

2.3 主應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

全斷面掘進(jìn)機(jī)的正常工作流程為：氣缸啟動(dòng)支座和煤壁與圍繞氣缸的主梁緊密連接，支座與切刀頭連接，切刀頭切入煤路段。駕駛運(yùn)動(dòng)完成后，駕駛員的后部支撐油缸伸出并擠壓地面，然后縮回左右支撐蹄油缸。向前推動(dòng)圓柱體將復(fù)位并驅(qū)動(dòng)支撐靴和機(jī)身后部向前移動(dòng)，從而完成推動(dòng)過(guò)程。圖2 為掘進(jìn)機(jī)主程序控制流程圖[2]。

當(dāng)需要收回機(jī)器時(shí)，需要控制地面上的拉伸支撐管的壓力，并且將四個(gè)撐靴管從洞穴壁縮回以啟動(dòng)，同時(shí)控制切割機(jī)的停機(jī)時(shí)間，然后推出油管掛靴子和機(jī)身部位。經(jīng)過(guò)一次后退過(guò)程之后，達(dá)到背壓值，控制撐靴的油缸使靴緊緊地抓住洞壁，前后支撐油缸，向后推油缸，刀頭后退以完成后勤工作周期。全斷面掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的循環(huán)過(guò)程，可控制前進(jìn)和后退。

3 人機(jī)界面

本研究中提到的人機(jī)交互軟件, 主要是依托于組態(tài)軟件PCVUE 來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的。它對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的控制過(guò)程以及顯示結(jié)果都是通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)來(lái)傳遞。具體的控制過(guò)程顯示主要是分為兩個(gè)部分，分別借助兩個(gè)大屏幕來(lái)分開(kāi)顯示。組態(tài)軟件從一開(kāi)始的設(shè)計(jì)過(guò)程到中間的開(kāi)發(fā)過(guò)程都較為簡(jiǎn)單，未來(lái)的改造將會(huì)更加便捷與容易實(shí)現(xiàn)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)主程序控制流程圖

人機(jī)交互軟件這個(gè)程序的主界面不是由一個(gè)單一的界面構(gòu)成, 而是由兩組具有不同屬性的界面來(lái)呈現(xiàn)。在顯示標(biāo)題機(jī)器切割頭的左側(cè)，是機(jī)器支撐靴和機(jī)器后部支撐架的工作狀態(tài)，在右側(cè)是機(jī)器皮帶系統(tǒng)、水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和機(jī)器液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，以及主界面左側(cè)的相應(yīng)按鈕，在操作過(guò)程中，可以為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置調(diào)試好的輸入過(guò)程，并進(jìn)行詳細(xì)地控制和信息查詢。

4 刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制程序

采用主從關(guān)系控制方法來(lái)控制掘進(jìn)機(jī)的頭部電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。主電機(jī)采用V/F 控制方式，從電機(jī)采用恒功率控制方式。刀頭具有8 個(gè)130 kW 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每個(gè)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器都是依賴于矢量控制模式下的變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。八環(huán)電機(jī)主要是將齒圈與減速器相結(jié)合，在運(yùn)行過(guò)程中得到虛擬信號(hào)，通過(guò)脈沖分配器來(lái)接收并存儲(chǔ)信號(hào)[3]。

刀盤驅(qū)動(dòng)在復(fù)雜的電機(jī)控制方面提出了兩種新的邏輯。一種邏輯是主從電機(jī)相結(jié)合；另一個(gè)邏輯是8 號(hào)電動(dòng)機(jī)是主電動(dòng)機(jī)，其他電動(dòng)機(jī)也來(lái)自該電動(dòng)機(jī)。為了確保系統(tǒng)控制過(guò)程的可靠運(yùn)行，已添加了一組編碼器。這兩個(gè)編碼器生成編碼信號(hào)，并使用脈沖分頻器分配編碼信號(hào)。主PLC 用于發(fā)布命令，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的程序控制由PLC 執(zhí)行。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖如圖3 所示。

圖3 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖

5 結(jié)語(yǔ)

本研究指出，隸屬于西門子S7-30 系列的PLC控制系統(tǒng)的主要作用是對(duì)綜合掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。首先通過(guò)分析掘進(jìn)過(guò)程中的一些基本要求，將要求轉(zhuǎn)變成具體可行性方案，根據(jù)方案來(lái)選取適用的PLC 類型，同時(shí)對(duì)硬件結(jié)構(gòu)也要加以改進(jìn)，對(duì)于綜合流程進(jìn)行梳理，對(duì)相關(guān)的控制系統(tǒng)進(jìn)行完善，通過(guò)直接的人機(jī)交互程序介紹了刀頭控制的實(shí)現(xiàn)，該程序適用于各種類型的全方位巷道掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)。