基于PLC程序對挖掘機性能的設計

劉洋

摘 要：文章基于PLC程序，結合挖掘機特性和功能，通過MP277上位機采集、實時顯示報警和故障代碼，實現(xiàn)了挖掘機性能的優(yōu)化和升級。經過現(xiàn)場調試驗證，獲得了良好的運行效果，能夠滿足挖掘機各種工況控制的要求。

關鍵詞：PLC；挖掘機；特性；功能

中圖分類號：TM301.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）32-0023-02

電動挖掘機在露天采礦、基建施工等領域獲得了廣泛的應用[1]，隨著太重WK系列大型礦用挖掘機電控系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新、電機控制技術的不斷改進優(yōu)化，對于電氣服務工程師的技術水平也提出了新的、更高的要求，尤其是現(xiàn)場實際操作能力。近年來，面對復雜多變的外部環(huán)境和日益加劇的競爭格局，公司日益感覺到設備的穩(wěn)定性和完好性對礦山企業(yè)生存發(fā)展的重要性。為了提高公司的運行質量和服務管理水平，對挖掘機的部分功能加以了優(yōu)化和改進。

1 大型礦用挖掘機介紹

大型礦用挖掘設備是現(xiàn)代化露天煤礦的主力軍，從20世紀60年代使用的4立方挖掘機開始，隨著露天礦產能的不斷擴大，逐步引進了12立方、20立方、35立方和55立方挖掘機，電氣控制系統(tǒng)由原來的直流控制系統(tǒng)升級為現(xiàn)在的交流變頻調速系統(tǒng)。挖掘機在露天礦山工作過程中主要有五大機構，有提升、推壓、走行、回轉、開斗機構，司機室內操作人員通過主令等控件，把信號傳遞到變頻器，由電機帶動機械齒輪箱來實現(xiàn)物料的挖掘和裝載。

以WK-35挖掘機為例，電鏟鏟斗機構是正鏟，通過鏟斗提梁和阻尼機構固定在斗桿上。斗桿上焊裝有齒條，并放置于推壓小齒輪上，通過鞍座固定，齒輪-齒條推壓來實現(xiàn)鏟斗的伸出和收回。提升功能是通過提升卷筒的旋轉纏繞提升鋼絲繩帶動鏟斗的上下運動來實現(xiàn)。提升和推壓兩個動作的相互配合，就實現(xiàn)了物料的挖掘。當物料裝滿后，需要裝入運輸車，挖掘機通過回轉小齒輪在回轉大齒圈上來回地咬合運動來完成。與此同時還需要開斗機構的配合，挖掘機通過開斗電機纏繞開斗鋼絲繩拉動開斗銷，鏟斗底板打開，物料實現(xiàn)裝車完成。由于大型挖掘機的整體重量很大，走行機構都采用履帶式來增加對地的比壓，保持設備的平穩(wěn)。

2 大型礦用挖掘機的控制特性

2.1 挖掘機電氣控制系統(tǒng)

礦用挖掘機的交流變頻調速系統(tǒng)為“MP277工控機+PLC+DP通訊+變頻傳動”組成的四級控制系統(tǒng)[2]。如圖1所示，MP277工控機應能監(jiān)控和實時顯示整臺挖掘機工作中的狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)運行狀態(tài)動態(tài)畫面的模擬顯示與故障的自我診斷；PLC通過PROFIBUS DP總線與AFE控制單元，提升、推壓、走行、回轉四個機構的逆變器、司機室操作臺和主令的控制等連接，實現(xiàn)逐級分層控制；通過AFE控制單元整流為直流，公用直流母線又與各機構逆變器相連，通過電流和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，成功的實現(xiàn)對各機構電機力矩、電流與速度的準確控制。

2.2 挖掘機各機構控制形式

行走機構兩臺電機為分別獨立驅動，右行走電機有一臺逆變器驅動，左行走電機有一臺逆變器驅動。這樣分別控制能夠實現(xiàn)挖掘機走行電機的獨立運行，電機可以保持一個正轉，一個反轉，實現(xiàn)了挖掘機的原地挑頭，有效的減少了挖掘機在轉彎時的機械摩擦給設備帶來的損害。挖掘機回轉機構由一臺逆變器帶動兩臺電機，兩臺電機軸承連接回轉小齒輪，通過在回轉大齒圈上來回地耦合運動來實現(xiàn)。同一逆變器的輸出，兩臺電機的電源保證來自同一個出點，這樣兩臺電機的力矩（或速度）也基本保持一致，很好的保證了兩個電機的協(xié)同作業(yè)。回轉機構的機械特性屬于大慣量運動載體，在正常工作下一個工作循環(huán)僅作0 °～80 °、100 °～0 °的正反往返旋轉。回轉控制采用速度限幅、轉矩控制方式，即控制器給定是轉矩給定，給定大小決定了起制動時電機輸出轉矩的大小、啟制動的快慢。往返旋轉期間由于大慣量不能立即停車，需在主令給定的加減速時間內打反車制動，有效的避免了機械沖擊。提升機構兩臺電動機分別通過聯(lián)軸節(jié)來你姐在一臺減速機的一根軸上，兩臺電機的轉速完全一致。由于采用兩臺逆變器共同驅動兩臺電機，中間有電機耦合控制箱。有效的保證兩臺電機做功相等，在兩臺逆變器之間采用“一拖二”控制技術，由于提升機構的特殊性，在裝車過程中需要精準的定位，故采取了速度控制。推壓機構變頻電機采用速度閉環(huán)矢量控制，為提高挖掘時的切削力，推壓電動機在0～80%的速度范圍內均能輸出最大力矩，這就保證了鏟斗在80%速度范圍，其切削力基本不變。

2.3 挖掘機的試車以及特性

挖掘機在挖掘過程中，提升、推壓時通過DP通行來對話的，當遇到物料粘性較大時，有時提升提不動，有時推壓收不回。此時通過電流和轉矩雙閉環(huán)反饋信號分析，兩個機構的變頻器都達到了預設的上限值，此時變頻器會自動調整，提升和推壓逆變器將在低速運行，將鏟斗拖出，解決了司機遇到的問題。也有可能在鏟斗被黏住以后，司機可能會將回轉機構誤操作，當逆變器檢測到電流都為90%以上時，自動告知回轉逆變器的輸出為0，有效的避免了誤操作回轉時將鏟斗斗桿損壞的可能。

也有可能挖掘機在挖掘過程中，遇到大塊或根底時，提升和推壓機構經常會造成堵轉，這時電機既要維持出力又要保證不燒損，這就要求對挖掘機機械特性[3-4]有全面的了解，如圖2所示。當電樞電流到達堵轉電流Id后，此時堵轉保護計時，超過設定時間后，提升報警[5]。

3 目前挖掘機使用過程中的問題

當挖掘機提升抱閘關閉時，電磁閥不通電，如果氣壓檢測和抱閘打開限位中任意一個滿足條件則會報抱閘故障。抱閘打開時，電磁閥通電，如果氣壓檢測和抱閘打開限位中任意一個不滿足條件則會報抱閘故障。這樣就存在一個問題，當抱閘處于打開狀態(tài)時，即使抱閘限位在打開位置，只要氣壓檢測存在問題就會報故障。或者抱閘限位存在問題，即使氣壓達到要求也會報出故障。而實際使用中兩者同時存在故障的幾率是很低的，而這樣的程序設置就會給設備帶來更多的停機時間。如果故障發(fā)生在回轉機構上，則可能會帶來安全隱患。

4 系統(tǒng)PLC軟件設計

修改后部分程序后，將兩點常閉點改為串聯(lián)，抱閘關閉狀態(tài)下邏輯同之前。抱閘打開時，如果氣壓檢測[1]和抱閘打開限位同時存在問題才會報故障。但這樣做也會帶來一個問題，假設限位監(jiān)測失效，只存在氣壓檢測工作，但氣壓設置不合適或者壓力傳感器已壞，則抱閘的保護措施不存在，對抱閘和電機裝置以及安全是非常不利的。所以修改后需要現(xiàn)場人員經常檢查打開抱閘以測試抱閘限位以及氣壓監(jiān)測的工作是否正常，這是非常必要的。于是另外在觸摸屏增加抱閘監(jiān)測頁面，以監(jiān)測抱閘打開時各個信號點是否處于正常狀態(tài)，如果某一點存在問題可以一目了然的了解到情況并及時處理，保證電鏟工作在正常狀態(tài)。PLC設計升級圖如圖3所示，修改后觸摸屏主畫面如圖4所示。

5 結 論

針對該系統(tǒng)的控制軟件部分，通過修改PLC和觸摸屏程序后邏輯為抱閘打開情況下，氣壓監(jiān)測和機械限位同時傳回動作信號才會報故障，增加了信號的容錯率，提高了電鏟的穩(wěn)定性，基本上杜絕了因抱閘限位或抱閘壓力傳感器信號問題而引起的故障時間。同時以報警和計數的方式顯示在觸摸屏上。一方面會發(fā)出聲光報警，同時觸摸屏會出現(xiàn)報文提醒司機查看故障，存在問題一目了然，有力的保證了挖掘機的正常狀態(tài)。

參考文獻：

[1] 宋黎明，楊前明，謝計業(yè)，等.電感式位移傳感器輸出特性仿真分析[J].

機電工程，2012，（7）.

[2] 陳理壁.步進電機及其應用[M].北京：科學技術出版社，1989.

[3] 徐麗，張文海，李曉嵐.用Excel電子表格計算力矩電機-電流特性線 性度[J].微特電機，2012，（10）.

[4] 張曉波.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2011.