基于嵌入式軟PLC 掘進(jìn)機智能控制平臺設(shè)計研究

唐耀偉

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦，山西 大同 037016）

引言

掘進(jìn)機掘進(jìn)過程對圍巖的破壞度小，能較大程度保證掘進(jìn)安全，對煤礦井下開采以及巷道成型具有重要作用，是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵大型設(shè)備。近年來隨著智慧礦山概念的提出，機械替換人的理念逐步影響掘進(jìn)工作，掘進(jìn)機的智能程度成為衡量煤礦智能化生產(chǎn)的因素之一。智能化控制平臺是掘進(jìn)機無人化改進(jìn)的核心，但由于井下環(huán)境復(fù)雜，對控制平臺元器件有防爆要求，尤其是目前控制核心的PLC，必須放置在笨重的防爆控制柜中，對操作和維護以及電器件的抗振都不利，而控制平臺各控制件和受控件的通信標(biāo)準(zhǔn)不同，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，這給井下掘進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶來困難，基于此本文對嵌入式軟PLC 控制平臺進(jìn)行研究，保證PLC 控制標(biāo)準(zhǔn)化和邏輯性的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和跨平臺性，保證井下掘進(jìn)控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

1 嵌入式軟PLC 控制平臺原理

傳統(tǒng)PLC 的功能實現(xiàn)依托的是ASIC 芯片的加持，通過接收數(shù)據(jù)與發(fā)送指令的控制邏輯實現(xiàn)PLC控制，嵌入式軟PLC 控制是利用軟件與硬件CPU 或MCU 的組合，實現(xiàn)信號接收、編譯與控制信號輸出等，嵌入式軟PLC 的指令集存儲于CPU 或MCU，通過一定的數(shù)據(jù)掃描周期，通過輸入輸出系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC 功能。相較于傳統(tǒng)PLC，嵌入式軟PLC 的開放程度更高，擴展性更強，系統(tǒng)的升級和維護不受PLC 廠家控制。嵌入式軟PLC 控制系統(tǒng)的架構(gòu)體系如圖1 所示，架構(gòu)分為三層，分別是開發(fā)層、通信層和設(shè)備層，開發(fā)層作為基礎(chǔ)，能夠支持多種編輯語言和通訊標(biāo)準(zhǔn)，主要實現(xiàn)程序的編寫；通訊層主要實現(xiàn)開發(fā)層和設(shè)備層的連接，設(shè)計通信層以網(wǎng)關(guān)服務(wù)器為主，可以實現(xiàn)同時訪問多個CPU 控制器，保證通信效率；設(shè)備層需要在操作硬件設(shè)備前預(yù)先安裝實時核系統(tǒng)，開發(fā)層編寫完成的程序可通過通信層直接下載到操作設(shè)備，通過實時核系統(tǒng)將程序轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼儲存，按照系統(tǒng)設(shè)定的方式運行程序。嵌入式軟PLC 控制模式開發(fā)層是在上位機運行，控制程序是在硬件控制平臺[1-3]。

圖1 嵌入式PLC 控制系統(tǒng)原理圖

2 基于軟PLC 的掘進(jìn)機控制系統(tǒng)設(shè)計

基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機控制系統(tǒng)架構(gòu)如下頁圖2 所示，掘進(jìn)機上安裝的油溫、油位、油壓傳感器采集的模擬量信號和急停、操作、控制回路漏電閉鎖保護、瓦斯閉鎖、繼電器反饋等開關(guān)量信號輸入到嵌入式軟PLC 控制器進(jìn)行處理，根據(jù)控制器邏輯形成的決策信號輸出到各受控單元，實現(xiàn)掘進(jìn)機電機、懸臂、行走、照明、報警以及磁比例多路換向閥的動作以及控制邏輯的完成?？刂破脚_與各受控元件的通信采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，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。

圖2 基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件平臺架構(gòu)設(shè)計

掘進(jìn)控制平臺的硬件以CCWi-i.MX6UL 為核心，該處理器集成了DDR3 儲存器，WLAN、藍(lán)牙、USB 等通信方式以及電源管理等功能，對接平臺的其他硬件，包括數(shù)字量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN 總線模塊、數(shù)字量驅(qū)動模塊、以太網(wǎng)模塊、RS485 模塊、RS232 模塊等，為了實現(xiàn)對掘進(jìn)機上PWM驅(qū)動電磁比例多路換向閥的控制，還增加了功率放大電路以及采樣電阻電流監(jiān)測模塊。考慮到平臺的集成度較高，為了保證控制器的抗干擾能力，在功能模塊與核心模塊之間進(jìn)行了信號隔離設(shè)計，提升掘進(jìn)控制平臺的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性[4-6]。硬件平臺架構(gòu)見圖3。

圖3 基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 軟件平臺分層設(shè)計

與上文提到的嵌入式軟PLC 控制原理相似，掘進(jìn)控制平臺的軟件設(shè)計也采用分層設(shè)計技術(shù)，以嵌入式驅(qū)動以及操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對平臺控制器進(jìn)行重新軟件分層設(shè)計，旨在配合掘進(jìn)機控制方式和控制需求，保證控制的相應(yīng)速度和控制安全。

軟件平臺分層架構(gòu)圖如圖4 所示，分為開發(fā)層、應(yīng)用層、平臺層和系統(tǒng)層四個層級。系統(tǒng)層選取Linux為操作系統(tǒng)平臺，Linux 操作系統(tǒng)為通用系統(tǒng)，兼容性強，但在實時響應(yīng)方面存在一定弊端，為此本文采用整體內(nèi)核架構(gòu)中搶占式補丁方式提高系統(tǒng)的實時性，滿足平臺層、應(yīng)用層和開放層的調(diào)用需求。應(yīng)用層實現(xiàn)平臺與掘進(jìn)機控制機構(gòu)的對接，可以根據(jù)控制需求對不同函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，調(diào)用開發(fā)層開發(fā)的各類數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序。

圖4 基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 運行效果分析

掘進(jìn)機上使用的比例多路換向閥具有多負(fù)載聯(lián)動功能，能夠?qū)崿F(xiàn)流量的穩(wěn)定控制，降低設(shè)備功耗，對掘進(jìn)機的自動控制和復(fù)合聯(lián)動控制具有重要作用。掘進(jìn)機依托比例電磁閥來控制比例多路換向閥，完成電信號到機械動作的轉(zhuǎn)化，比例電磁閥通過內(nèi)部電磁鐵圈的通電和斷電實現(xiàn)電磁閥的開閉，電流穩(wěn)定是保證電磁閥動作的關(guān)鍵因素。為了驗證控制平臺對電磁閥流經(jīng)電流的控制效果，選擇電流PID 反饋進(jìn)行測試，通過在控制平臺中對比引入PID 反饋和不引入兩種工況，監(jiān)測在空占比下輸出PWM 信號的等效電流來表征控制效果，監(jiān)測時間選擇100 min，監(jiān)測點繪制成圖5。

圖5 線圈回路電流變化曲線圖

通過實驗得出的線圈回路電流變化曲線圖可以看出，在不引入PID 反饋的工況下，控制比例多路換向閥的比例電磁閥的電流在前2 000 s 不斷降低，至100 min 內(nèi)穩(wěn)定在低值，穩(wěn)定值與設(shè)定的值差別很大；引入PID 反饋后，控制比例多路換向閥的比例電磁閥電流在試驗周期內(nèi)波動在設(shè)定值上下，且波動范圍很小，保證了設(shè)定電流控制的穩(wěn)定。通過對電流PID 反饋測試試驗可以得出，設(shè)計的掘進(jìn)機控制平臺PID 功能良好，能夠?qū)崟r保證比例多路換向閥的控制靈敏度和精度。

4 結(jié)論

本文采用分層控制原理進(jìn)行掘進(jìn)機嵌入式軟PLC 控制平臺的設(shè)計，分析了控制平臺的硬件和軟件框架，為了驗證控制平臺效果，選用電流PID 監(jiān)測試驗監(jiān)控引入和不引入PID 反饋的比例電磁閥控制電流大小[7-11]。通過本文研究形成以下結(jié)論：

1）掘進(jìn)控制平臺的硬件以CCWi-i.MX6UL 為核心，并包括數(shù)字量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN總線模塊、數(shù)字量驅(qū)動模塊、以太網(wǎng)模塊、RS485 模塊、RS232 模塊等，為了實現(xiàn)對掘進(jìn)機上PWM驅(qū)動電磁比例多路換向閥的控制，增加了功率放大電路以及采樣電阻電流監(jiān)測模塊。

2）掘進(jìn)控制平臺的軟件設(shè)計采用分層設(shè)計原理，以嵌入式驅(qū)動以及操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，軟件平臺分層架構(gòu)分為開發(fā)層、應(yīng)用層、平臺層和系統(tǒng)層四個層級。系統(tǒng)層選取Linux 為操作系統(tǒng)平臺，Linux 操作系統(tǒng)為通用系統(tǒng)，兼容性強。應(yīng)用層實現(xiàn)平臺與掘進(jìn)機控制機構(gòu)的對接，根據(jù)控制需求調(diào)用開發(fā)層開發(fā)的各類數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序。

3）通過在控制平臺中對比引入和不引入PID 反饋兩種工況，監(jiān)測在占空比下輸出PWM 信號的等效電流來表征控制效果，試驗表明引入PID 反饋后，控制多路換向閥的比例電磁閥電流在試驗周期內(nèi)波動在設(shè)定值上下，且波動范圍很小，保證了設(shè)定電流控制的穩(wěn)定。