基于PLC的掘進機遠程控制系統的設計與應用

盧 燕

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠，山西 太原 030053）

引言

掘進機工作時會產生較大的噪音、高濃度的粉塵，危害現場操作工人的人身安全，也會限制掘進機操作人員的視野，造成掘進機控制難度大、勞動強度高的問題。掘進巷道空間狹小、光線暗淡，掘進機截割頭的準確控制較為困難，大多憑借操作人員的經驗進行截割作業，不能完全掌控掘進機的位置姿態，造成以下后果：掘進效率較低；掘進機工作時極易出現超挖欠挖等情況，導致巷道掘進斷面的成型質量差，增加巷道修正的成本；掘進機不能準確行進，一旦出現掘進偏差，糾正起來極為困難。為了改善掘進機操作人員的工作條件，提高掘進機工作效率，有必要開展遠程控制系統的設計工作[1-2]。

1 系統方案及功能

根據掘進機的控制功能要求完成了遠程控制系統的方案設計，如圖1所示，主要包括傳感檢測系統、電控系統、執行系統、視頻監視系統和顯示系統。傳感檢測系統主要由傳感器完成掘進機作業參數的采集，包括電壓、電流、壓力、位移等，之后傳輸至PLC進行邏輯分析處理[3-4]。電控系統包括上位機和下位機兩部分，下位機用于接收開關量和傳感信號，進行數據的分析處理，給出掘進機參數調整要求，上位機用于人機交互，顯示掘進機工作狀態。執行機構主要接收電控系統的指令，完成動作控制，包括截割頭油缸、后支撐升降油缸、行走馬達、轉載電機、油泵電機、截割電機等。視頻監視系統由攝像頭、光端機等組成，完成掘進機周圍工作現場的環境信息采集，實時顯示掘進機作業現場的環境、車身姿態參數、控制參數等。

圖1 遠程監控系統方案

2 系統設計

2.1 硬件設計

2.1.1 關鍵件選型

掘進機遠程控制系統關鍵部件主要包括PLC控制器、激光測距儀、直線傳感器?？刂破鬟x擇西門子S7-200CN系列的PLC產品，適應于中型控制系統，其內部控制模塊足夠，具有很好的擴展性，同時工作可靠性高、通訊能力強、實時性好，能夠滿足遠程控制的功能要求。掘進機位姿與截割位置檢測使用激光測距儀和直線傳感器，激光測距儀工作在煤炭巷道內部，環境極為惡劣，需要選擇較大功率的激光測距儀，故而選擇型號為DLS-E50的激光測距儀；直線位移傳感器主要用于檢測掘進機各個油缸的伸出位移，因掘進機工作時具有較大的振動，故選擇拉線傳感器為宜，此處選擇1個KS15拉線傳感器和3個KS20拉線傳感器。

2.1.2 電氣控制箱設計

遠程控制系統電氣控制箱包括PLC控制系統、電流電壓檢測器、瓦斯濃度檢測儀、液晶顯示屏等，如下頁圖2所示，遠程控制信號采用PLC-M1接口進行傳輸?？刂葡淠軌蚪邮者h程控制臺發出的動作指令，實現掘進機油泵電機、截割電機、轉載電機的運動控制，如各個電機的啟停等，同時還能夠實時監測電機的電壓和電流，確保各個電機安全穩定運行。

圖2 遠程控制系統電氣控制箱

2.1.3 功能控制箱設計

遠程控制系統功能控制箱由箱體和背板組成，如圖3所示，箱體內設置24 V電源、PLC-S3組件、傳感器與電源接線排等，背板主要配置PLC-S2組件和比例電磁閥。功能控制箱不僅為掘進機作業現場相關的傳感器提供電能，還進行傳感器信號的采集，將采集得到的傳感器信號傳輸至主PLC-M1進行數據處理[5-6]。功能控制箱還能夠輸出控制指令至運動放大卡，之后將放大信號傳輸至比例電磁閥，控制掘進機對應油缸的動作。

圖3 遠程控制系統功能控制箱

2.1.4 視頻監視系統設計

掘進機視頻監視系統設計方案如圖4所示，主要由攝像頭、光端機、硬盤刻錄機和顯示器等組成，攝像頭采集的視頻信號由視頻線傳輸至功能控制箱進行信號轉換，輸出光信號，再經光纖傳輸至操作臺進行視頻信號的還原。運用雙攝像頭檢測掘進機截割臂的位姿狀態，并顯示于操作臺供操作人員觀察，為其準確控制掘進機的工作提供可視化界面。

圖4 遠程監控視頻監視系統

2.2 軟件設計

2.2.1 下位機程序設計

遠程監控系統下位機程序編制在STEP7-MicroWIN編程軟件中進行，不僅能夠進行PLC程序的開發，還能對PLC進行參數配置、實時監視、加密處理等，實現PLC程序離線條件下的編輯編譯工作。

1）電氣控制箱程序設計。電氣控制箱PLC-S1程序主要控制掘進機運動電機的啟停，同時為其提供安全保護，具體流程如圖5所示，包括初始化子程序、電壓子程序、截割子程序、轉載子程序和電機故障檢測子程序。初始化子程序主要是在程序啟動時或者程序報錯重置時運行；電壓子程序主要完成控制電網內部電壓的實時監控；截割子程序主要控制掘進機截割頭的運動軌跡和速度；轉載子程序控制轉載電機的啟停動作。

圖5 電氣控制箱程序

2）功能控制箱程序設計。功能控制箱PLC-S3程序對控制信號放大卡的輸出電壓及掘進機相關傳感器的數據進行采集，程序控制流程如圖6所示，由初始化子程序、AO輸出子程序和傳感器采集子程序組成。初始化子程序在程序首次執行時運行；AO輸出子程序將PLC-M1端口發送的電壓數據傳輸至放大卡進行信號處理；傳感器采集子程序進行激光測距儀、位移傳感器、電壓電流傳感器等信號的實時采集，傳輸給PLC-M1端口。PLC-S2程序主要控制放大卡輸出功能，程序流程與PLC-S3基本一致，只是不存在傳感器采集子程序。

圖6 功能控制箱程序

2.2.2 上位機程序設計

掘進機遠程監控系統上位機監視界面程序編制采用西門子SIMATICWinCC6.2完成，其能夠方便地與PLC進行數據交換。WinCC6.2進行上位機控制界面設計極為簡便，進入WinCC6.2程序編輯器，直接調用編輯變量、圖形等即可快速形成工業控制界面。結合掘進機遠程控制界面設計需求，完成了掘進機運行狀態顯示界面，如圖7所示，涉及電網電壓、電機電流及故障狀態、截割頭動作位置、掘進機姿態等，能夠直觀全面地將掘進機的運行狀態顯示給操作人員，對掘進作業進行有效操控。

圖7 掘進機運行狀態顯示界面

3 應用效果評價

為了驗證掘進機遠程控制系統設計的可行性，將其應用于某型號掘進機進行試應用，結果表明，遠程控制系統運行穩定可靠，能夠滿足掘進機遠程控制要求。相較于引入遠程控制系統之前，掘進機作業過程中操作人員的勞動強度大大降低，節省了近15%的人員成本；掘進斷面質量得到明顯提升，斷面控制準確度達到了98%以上；掘進機行走軌跡控制更加可靠，實現了可視化監視與調整，行走偏差的調整時間降低近30%。相關專業人員統計，掘進效率提升近25%，預計為企業增加經濟效益近200萬元/年。