礦井掘進機控制平臺設計及應用研究

李鵬宇

（山西大同永定莊煤業公司，山西 大同 037024）

引言

掘進機作為快速高效的大型機械設備，在作業時應對其實施精準控制，才能確保掘進機在合適的地點做出正確的作業動作[1]。在現代化、智能化發展的背景下，掘進機的自動化水平還有待進一步提高，尤其是控制平臺的自動化水平在實際工程作業中存在一定的缺陷，導致在掘進速度和決定質量方面存在問題。因為掘進機的控制平臺通常是由通用型PLC 進行核心控制，在選用PLC型號時未充分考慮礦井的特殊應用環境。掘進機會根據后期使用情況，不斷地拓展模塊功能，在普通的PLC 模塊中開展后期拓展將帶來較高的成本，不利于控制平臺的經濟性。在綜采工作面機械設備智能化技術發展的背景下，應提升掘進機控制平臺的智能化程度，實現一體化集中式平臺發展[2]。以嵌入式系統研究作為切入點，實現掘進機控制平臺的低成本、跨平臺性的關鍵特性。以軟PLC的標準化、模塊化設計思路，結合Linux 開放式的操作系統，可實現掘進機控制平臺的拓展功能高度集成。在自動化智能化方面相比于原有控制平臺將有較大的提升，研究成果為掘進企業智能化發展研究提供了借鑒思路。

1 控制平臺總體方案

1.1 控制系統分解

以煤礦企業常用的四回路掘進機作為研究對象，在其原有整體系統架構的基礎上提出可拓展性概念。通過嵌入式PLC 控制核心部件，實現整體結構的分層設計，不僅針對于底層硬件、軟件，也將實現通信驅動的全方位重新設計。

四回路掘進機主要通過饋電開關、隔爆本質安全型電氣箱、隔爆電磁閥、聲光報警系統、隔爆緊急按鈕等零部件組成[3]。通過傳感器將各類部件形成統一的控制系統，并實現遠程無線遙控。控制系統驅動液壓系統，使得掘進機能夠按照命令指示開展相應的作業動作。在掘進機控制平臺中，電氣控制箱是最為關鍵的部分。四回路懸臂式掘進機作為研究對象，其機體分解示意圖如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進機機體組成示意圖

1.2 控制回路分析

掘進機整體的電氣系統主要由回路、電源、控制箱、控制平臺和遙控裝置組成。各個部件之間通過電纜接線，結合各類隔離開關核電流變送器實現掘進機電機的運轉。為確保本質安全，當隔離開關合閘時，才能使得控制平臺的控制箱產生電流、電壓信號。通常電壓信號為4～20 mA 信號，由控制平臺的AI 接口接收[4]。控制平臺作為控制系統的核心部分，在信號控制、搜集、決策通訊等方面有一體化功能，能夠對外界環境有較強的適應性，并且安全可靠。四回路掘進機控制系統如下頁圖2 所示。

圖2 控制系統示意圖

1.3 整體架構設計

根據目前掘進機控制系統的缺陷，采用嵌入式軟PLC 系統控制元件。采用的軟件代碼是基于Linux系統下的c 語言編程，實現了硬件驅動軟件，對各個硬件設備相互連接。軟PLC的上層軟件開發將提供I/O 接口以及驅動維護程序[5]。此時，軟PLC 控制器將實現整個掘進機電氣系統的控制。

在完成上層軟硬件設計后，將配合智能傳感器、繼電器等信號輸入接收模塊，在信號數據輸入后，將在PLC 中心形成決策信號。控制平臺的信號輸出將對電磁閥、操作箱等變送器實現操作，并將數據顯示到工具顯示屏以實現人機交互。四回路掘進機控制系統的架構設計示意圖，如圖3 所示。

圖3 控制系統整體架構示意圖

2 控制平臺硬件設計

掘進機硬件系統基于Cortex A7 架構的處理器進行開發，同時配備DDR3 內存、安全芯片等關鍵核心零部件。數字量與模擬量的采集需要PWM 進行驅動，同時各個硬件的選型應具備隔爆屬性。在此基礎上，控制平臺的硬件應滿足國家安全標準，例如GB3836 系列標準。

信號采集電路應使用光電隔離器進行隔離，數據量接口應滿足主要信息開關量的存儲空間。尤其針對于模擬量信息的采集應使用MCP3208的A/D轉換芯片，因為該芯片的通訊接口的可兼容性更強同時可利用光有隔離器不間斷地實現接口限壓保護[6]。

完成采集電路設計后，將對總線電路進行設計。總線電路要求配備8 個平行通訊串行接口，采用隔離CAN 模塊實現總線的差分電平，使得總線電路具有隔離功能。隔離CAN 總線電路如圖4 所示。

圖4 隔離CAN 總線電路示意圖

為了控制平臺具有放大和校正功能，在對信號處理時應采用常規的PWM 驅動方式，實現功率和電流的放大。PWM驅動同樣要求采取電氣隔離，并且配合換向閥避免顫振電路的引入。由于電路使用的是精密采樣電阻，需要及時地獲取電路反饋回的控制器信號。在掘進機驅動機平臺上以串聯的方式在線圈回路上實現A/D 轉換，使得軟PLC的控制平臺能夠精準地判斷和分析。PWM驅動電路如圖5 所示。

圖5 PWM 驅動電路示意圖

3 控制平臺軟件系統設計

由于Linux 系統具有可移之性和良好的拓展性，將其作為控制平臺的下層軟件系統。以C/C++工具作為開發軟件，實現嵌入式的開發環境，如圖6 所示。

圖6 嵌入式Linux 開發環境示意圖

由于新設計的系統采用的是軟邏輯思維，后臺控制器為硬件平臺。當前端軟件要實現功能時，需對軟件進行封裝。基于嵌入式的控制器將實現在軟PLC的硬件環境下，對掘進機控制平臺的驅動控制，如下頁圖7 所示。

由下頁圖8 和下頁圖9 可知，在控制平臺PWM驅動下，控制平臺的比例多路換向閥的電控比例特性曲線正常，其中比例電磁鐵電流-力特性曲線占空比小于20%時，流量和閥芯行程均為零，比例多路換向閥沒有輸出，當繼續增大占空比時，流量和閥芯行程隨占空比變化的線性度較好，回程時存在滯回現象，與自帶的PWM驅動接口驅動得到的曲線形態相同，控制平臺實現了其PWM 驅動電磁比例多路換向閥的功能。

圖8 流量隨PWM 占空比變化曲線

圖9 閥芯行程隨PWM 占空比變化曲線

控制平臺接收到輸入信號后，到輸出控制信號所需的時間為響應時間，后臺工控機自動為每個任務配置一個任務監視器，在任務處在在線模式后，任務監視器可以對任務的執行相關參數進行監控。為測試控制核心控制精度和響應速度，對控制平臺控制比例多路換向閥的控制任務進行監視，在執行的驅動比例閥任務的最大執行時間為198μs，響應時間符合掘進機工作環境要求。

4 結語

目前，礦井掘進機的控制平臺在自動化和智能化方面還有提升空間。根據現有掘進機控制系統的控制平臺，結合實際工況設計出以軟PLC 驅動的控制平臺系統。在后期實驗中，證明了控制平臺的電流反饋控制在安全范圍內，相比于原有的響應時間有較大的提高。研究成果為掘進機裝備的自動化水平提升奠定的基礎。