基于PLC控制器的礦用掘進(jìn)機(jī)控制平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宋 娟，雷聲媛，高 波，于麗麗

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采中非常重要的機(jī)械裝備，實(shí)踐應(yīng)用中具有支護(hù)要求低、工作效率高、對巷道圍巖的破壞小等眾多優(yōu)勢，使得掘進(jìn)機(jī)在煤礦開采中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。掘進(jìn)機(jī)有很多種形式，煤礦中使用較多的為懸臂式掘進(jìn)機(jī)[2]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，很多煤礦開采設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化甚至是自動化，通過對機(jī)械設(shè)備的自動化控制實(shí)現(xiàn)少人甚至無人化操作[3]。通過自動化控制不僅可以提升采煤設(shè)備的運(yùn)行效率，為煤礦開采效率的提升奠定良好的基礎(chǔ)，更重要的是可以將操作人員置于比較安全的位置，降低礦井工作人員的危險(xiǎn)程度[4]。所以，礦用掘進(jìn)機(jī)的自動化水平對整個煤礦開采效率、質(zhì)量、安全方面均有一定程度的影響[5]。PLC控制器以其顯著的優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域擁有非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)有部分學(xué)者和技術(shù)人員將PLC控制器應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，并取得了很好的效果，獲得了現(xiàn)場工作人員的一致好評[6]。本文主要以煤礦中使用比較廣泛的EBZ260型掘進(jìn)機(jī)為例，基于PLC控制器設(shè)計(jì)研究了該型號掘進(jìn)機(jī)的控制平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作過程的自動化控制。對于提升掘進(jìn)機(jī)的自動化程度、促進(jìn)采煤效率的提升具有重要的實(shí)踐意義。

1 EBZ260型掘進(jìn)機(jī)概述

本文主要以EBZ260型礦用掘進(jìn)機(jī)為研究對象，對其控制平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)并將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中。該型號掘進(jìn)機(jī)在煤礦中可以對全巖、半煤巖和煤巷進(jìn)行掘進(jìn)[7]。最大截割強(qiáng)度可以達(dá)到110 MPa，但是對于強(qiáng)度在90 MPa以內(nèi)的煤巖具有很好的經(jīng)濟(jì)性。對于截面比較復(fù)雜的巷道都可以使用該型號掘進(jìn)機(jī)完成，掘進(jìn)巷道的最大高度和寬度分別為5.2 m和6.3 m，截面面積將近31 m2，巷道的最大坡度可以達(dá)到18°。EBZ260型掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 EBZ260型掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of EBZ260 roadheader

掘進(jìn)機(jī)是一個非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，包含很多機(jī)械結(jié)構(gòu)，最重要的包括截割部分、行走部分、裝運(yùn)部分以及輸送部分等。只有各個機(jī)械構(gòu)件之間協(xié)調(diào)配合才能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的各項(xiàng)功能，高效率地完成掘進(jìn)工作。機(jī)械結(jié)構(gòu)需要通過自動化控制系統(tǒng)對其進(jìn)行精準(zhǔn)的控制才能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)動作，進(jìn)而完成掘進(jìn)工作。因此，掘進(jìn)機(jī)控制平臺性能的好壞對設(shè)備整體性能有非常重要的影響。

2 掘進(jìn)機(jī)控制平臺整體方案設(shè)計(jì)

在充分分析EBZ260型礦用掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究了該型號設(shè)備的控制平臺，控制平臺整體方案如圖1所示。方案以PLC控制器為核心，同時輔助使用其他相關(guān)的電氣裝置和設(shè)施實(shí)現(xiàn)EBZ260型掘進(jìn)機(jī)的有效控制。PLC控制器的主要作用是對各種數(shù)字信號進(jìn)行分析，對設(shè)備中相關(guān)的輔助裝置進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械裝置數(shù)據(jù)的互相通信，基于以上操作達(dá)到對掘進(jìn)機(jī)各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的目的。PLC控制器就是整個控制平臺的核心。由圖1可知，掘進(jìn)機(jī)工作過程中利用各種傳感器，包括溫度、傾角、位移等傳感器，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測，將上述檢測得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制器中進(jìn)行處理，同時傳入PLC控制器中的數(shù)據(jù)還包括各種保護(hù)器件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號。PLC控制器中的CPU對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，形成決策信號，并下達(dá)控制指令，實(shí)現(xiàn)對各種機(jī)械結(jié)構(gòu)、報(bào)警裝置、電磁比例調(diào)節(jié)閥等的控制，達(dá)到掘進(jìn)機(jī)設(shè)備安全、高效、可靠運(yùn)行的目的。

圖1 礦用掘進(jìn)機(jī)控制平臺的整體方案Fig.1 Overall scheme of the control platform of the mine roadheader

3 控制平臺硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 硬件平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC控制器的控制平臺是整個系統(tǒng)中非常重要的構(gòu)成部分，目前市場上有很多PLC控制器的型號，并且不同型號都有各自的優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域均有不同程度的應(yīng)用。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際的計(jì)算以及接口數(shù)量需要，選用的是DIGI系列的控制平臺，具體型號為Connect Core 6UL，該型號平臺具有功能豐富、功耗低等眾多優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。平臺使用的是i.MX 6UL應(yīng)用處理器，具有優(yōu)異的計(jì)算能力，完全能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需要，可以確保掘進(jìn)機(jī)的高效率運(yùn)行。

掘進(jìn)機(jī)控制平臺采用的是模塊化設(shè)計(jì)，不僅可以提升系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)的便捷性，也便于以后的維護(hù)。礦用掘進(jìn)機(jī)控制平臺硬件框架如圖2所示。由圖2可知，系統(tǒng)主要通過不同的模塊構(gòu)成，其中比較重要的包括RS232、RS485、CAN、以太網(wǎng)等通信模塊，數(shù)字量采集模塊，模擬量采集模塊，PWM驅(qū)動模塊等。為了防止不同模塊之間的相互干擾，避免外部因素對掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性造成不良影響，所有模塊都通過隔離措施實(shí)現(xiàn)與控制平臺的連接，有效保障了控制平臺運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖2 掘進(jìn)機(jī)控制平臺硬件框架Fig.2 Hardware framework of roadheader control platform

3.2 主要硬件電路的設(shè)計(jì)

選用的控制平臺內(nèi)部已經(jīng)嵌入了處理器、閃存、內(nèi)存、安全芯片和其他的無線連接組件等，很多功能已經(jīng)嵌入到控制平臺中，所以給整個控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大的便利，只需要對相關(guān)硬件的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。

(1)信號采集電路的設(shè)計(jì)。基于不同傳感器采集，得到的信號可以分為數(shù)字量信號和模擬量信號2種類型。對于數(shù)字量信號，可以直接傳輸?shù)交赑LC控制器的控制平臺中進(jìn)行分析和處理；對于模擬量信號，則需要先通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號后，才能夠輸入到控制平臺中進(jìn)行分析。

掘進(jìn)機(jī)工作過程中的急停按鈕、主令電器以及其他各種開關(guān)產(chǎn)生的信號通過數(shù)字量傳感器進(jìn)行檢測并傳輸。設(shè)計(jì)的數(shù)字量信號采集電路如圖3所示。為了防止干擾，數(shù)字量采集期間，通過光電隔離器將其與CPU進(jìn)行有效隔離。

圖3 數(shù)字量信號采集電路Fig.3 Digital signal acquisition circuit

對于模擬量信號的采集過程，控制平臺使用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片具體型號為MCP3208，該轉(zhuǎn)換器設(shè)置在控制平臺的外圍，可以有效避免模擬量信號與其他電路產(chǎn)生干擾的問題，無需單獨(dú)設(shè)置隔離電路，降低了整個電路的復(fù)雜性。模擬量信號可以進(jìn)一步分為0～5 V和4～20 mA兩種形式，這2種信號形式同樣需要采用光偶隔離器對其進(jìn)行隔離，避免不同形式信號之間的相互干擾。MCP3208型A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間通過SPI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。PWM驅(qū)動電路中產(chǎn)生的信號就屬于模擬量信號，需要通過MCP3208對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，才能夠輸入到CPU中進(jìn)行處理。

(2)通信接口電路的設(shè)計(jì)。選用的控制平臺CPU共計(jì)有8個通信接口，通過這些通信接口可以與其他硬件設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)共包含有RS232、RS485、工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線通信形式。其中接口2和接口4通過RS232進(jìn)行通信，接口7用于RS232通信的隔離。RS232通信接口電路如圖4所示。

圖4 RS232通信接口電路Fig.4 RS232 communication interface circuit

接口3用于實(shí)現(xiàn)RS485通信，需要通過隔離收發(fā)器將RS485總線線路與其他線路進(jìn)行隔離，采用的隔離收發(fā)器具體型號為TD301DRS-485H。通過隔離器的作用，可以防止外部高壓信號對該弱電信號產(chǎn)生干擾，確保RS485總線線路通信的穩(wěn)定性。接口5用于實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，同樣地，需要使用隔離收發(fā)器將CAN總線通信與外部線路進(jìn)行隔離，避免對其產(chǎn)生干擾，采用的隔離收發(fā)器具體型號為CTM8251AT。接口1和6用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信，使用的隔離收發(fā)器型號與CAN總線相同。剩下的接口作為備用，便于后續(xù)對控制平臺的功能進(jìn)行拓展。

4 PWM驅(qū)動電磁比例調(diào)節(jié)閥的實(shí)現(xiàn)

4.1 PWM驅(qū)動頻率的確定

在掘進(jìn)機(jī)控制平臺中，PWM驅(qū)動頻率大小會對機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性產(chǎn)生非常重要的影響，因此必須準(zhǔn)確確定驅(qū)動頻率。為了分析了PWM驅(qū)動頻率的運(yùn)行，利用AMESim軟件對掘進(jìn)機(jī)懸臂液壓系統(tǒng)實(shí)施了模擬分析[8]，在仿真系統(tǒng)中如實(shí)地輸入懸臂系統(tǒng)的實(shí)際工作參數(shù)。在仿真模型中保持其他所有參數(shù)不變的情況下，單獨(dú)改變PWM控制信號頻率大小，研究PWM驅(qū)動頻率對芯閥位移穩(wěn)定性的影響規(guī)律。PWM頻率不同時芯閥位移的變化曲線如圖5所示，圖5中列出了4種頻率，分別為50、250、400、500 Hz。從圖5中可以看出，當(dāng)驅(qū)動頻率為50 Hz時，芯閥的位移出現(xiàn)了很大幅度的波動，說明在該頻率進(jìn)行驅(qū)動時芯閥會出現(xiàn)過大的振動，不利于機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，所以PWM驅(qū)動頻率不適合設(shè)置為50 Hz。當(dāng)PWM驅(qū)動頻率為250 Hz時，芯閥的位移變化幅度顯著降低，效果比50 Hz時要好很多。當(dāng)驅(qū)動頻率進(jìn)一步升高到400 Hz時，芯閥的位移變化進(jìn)一步縮小，效果更加顯著。而當(dāng)PWM驅(qū)動頻率升高到500 Hz時，芯閥趨于穩(wěn)定的時間相對較長，并且線圈的電流不再出現(xiàn)脈動的效果，這就要求控制平臺單獨(dú)設(shè)計(jì)對應(yīng)的顫振發(fā)生器，不僅增加了整個結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且新增加的線圈還會對其他線路產(chǎn)生干擾。

圖5 PWM頻率不同時芯閥位移的變化曲線Fig.5 Variation curve of core valve displacement when PWM frequency is different

基于此，最終確定的PWM驅(qū)動頻率為400 Hz。在該頻率作用下，芯閥的位移很快趨于穩(wěn)定，并且有顫振的效果，整體位移變化曲線比較平滑。

4.2 電磁比例調(diào)節(jié)閥PID電流反饋

電磁比例調(diào)節(jié)閥是控制平臺對掘進(jìn)機(jī)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的重要措施和手段。通過對調(diào)節(jié)閥閥門大小的控制，可以實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)中管路流量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)動作速度和位移的控制。電磁比例調(diào)節(jié)閥電流大小可以反映調(diào)節(jié)閥門的開啟大小。系統(tǒng)中基于PID控制模式對電磁比例調(diào)節(jié)閥中的電流大小進(jìn)行準(zhǔn)確控制，控制過程的基本流程如圖6所示。由圖6可知，控制過程屬于閉環(huán)控制，可以保障控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖6 電磁比例調(diào)節(jié)閥PID控制流程Fig.6 PID control process of electromagnetic proportional control valve

PID控制模式由比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)同時構(gòu)成，不同環(huán)節(jié)均有對應(yīng)的系數(shù)，系數(shù)的準(zhǔn)確確定是確保控制過程穩(wěn)定的基礎(chǔ)。本研究中基于試錯法來確定以上3個系數(shù)，即在確保其中2個系數(shù)不變的情況下，由小到大逐漸調(diào)整第3個系數(shù)，確保得到的調(diào)節(jié)曲線比較平穩(wěn)，并且反應(yīng)時間短。最終確定的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)分別為100、10和100。另一方面，考慮到掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，為了防止周圍環(huán)境對電流反饋信號產(chǎn)生不必要的干擾，從而影響控制平臺的控制精度，控制平臺首先需要利用數(shù)字濾波器對電流反饋信號進(jìn)行濾波處理，將干擾信號剔除，確保電流反饋信號的精確性。

4.3 PWM程序的實(shí)現(xiàn)

EBZ260型掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)比較笨重，機(jī)械結(jié)構(gòu)在啟動階段和停止階段不可避免地都會產(chǎn)生很大的慣性，從而對設(shè)備造成非常大的沖擊，輕則影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，重則可能對設(shè)備造成不可挽回的損壞。所以控制平臺在對機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行控制時必須考慮緩沖問題，該功能主要通過對PWM驅(qū)動程度的斜坡控制實(shí)現(xiàn)[9]。即在機(jī)械結(jié)構(gòu)開始運(yùn)動和結(jié)束運(yùn)動階段，通過調(diào)節(jié)閥門大小控制機(jī)械結(jié)構(gòu)以線性比例的方式逐漸增大或者減小速度，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的加速度控制在合理范圍以內(nèi)。PWM程序基于ST語言實(shí)現(xiàn)[10]，利用該類型語言時，可以直接在編程平臺中快捷地設(shè)置周期和頻率大小、加速和減速的加速度，即斜坡的斜率、最大和最小輸出等。PWM驅(qū)動程度的實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示，圖7中α表示曲線中斜坡的斜率大小，反映機(jī)械機(jī)構(gòu)的加速度大小。

圖7 PWM驅(qū)動程度的實(shí)現(xiàn)流程Fig.7 Realization flow chart of PWM drive degree

5 掘進(jìn)機(jī)控制平臺的應(yīng)用效果評價

完成EBZ260型礦用掘進(jìn)機(jī)控制平臺的設(shè)計(jì)工作后，為了驗(yàn)證控制平臺運(yùn)行的可行性，將控制平臺應(yīng)用到煤礦開采工程實(shí)踐中，對其各項(xiàng)性能進(jìn)行了連續(xù)6個月的實(shí)踐測試，并對其運(yùn)行效果進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與評價。結(jié)果表明，在整個實(shí)踐測試期間，掘進(jìn)機(jī)控制平臺能夠安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)功能都可以實(shí)現(xiàn)，基本上達(dá)到了預(yù)期的效果，說明本文的整體設(shè)計(jì)方案是可行的。

與掘進(jìn)機(jī)原有控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)的集成度明顯提升，整體的控制性能得到了顯著提高，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的操作人員數(shù)量有了一定程度的降低，降低幅度達(dá)到了15%左右，意味著煤礦企業(yè)可以節(jié)省15%的人力成本。與此同時，由于控制平臺的自動化程度顯著提升，使得操作人員的勞動強(qiáng)度大幅度降低，極大地改善了煤礦工作人員的勞動環(huán)境，取得了明顯的社會效益。在行走軌跡控制以及行走偏差控制方面與原系統(tǒng)相比有了大幅度提升，且行走偏差調(diào)整時間縮短了30%左右，提升了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程的效率和質(zhì)量，為煤礦開采效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過相關(guān)專家現(xiàn)場的評估計(jì)算，認(rèn)為用基于本設(shè)計(jì)的控制平臺對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制，可以使掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行效率提升25%左右，每年可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造1 000萬元左右的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

本文以煤礦中使用比較廣泛的EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，對其控制平臺進(jìn)行了分析與研究，所得結(jié)論主要如下。

(1)掘進(jìn)機(jī)控制平臺以PLC控制器為核心，平臺運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息全部輸入到PLC控制器中，CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后做出決策，結(jié)合實(shí)際情況下達(dá)控制指令，對掘進(jìn)機(jī)各部分進(jìn)行有效控制。

(2)選用的控制平臺型號為Connect Core 6UL，CPU處理器的型號為i.MX 6UL，具有優(yōu)異的性能，完全能夠滿足實(shí)際使用需要。對控制平臺中的信號采集電路以及通信接口電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

(3)基于AMESim軟件確定PWM驅(qū)動頻率大小為400 Hz，通過PID控制模式對電磁比例調(diào)節(jié)閥電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保障了控制的精度。基于ST語言編寫程序，通過斜坡控制對機(jī)械結(jié)構(gòu)在啟動和停止階段的慣性問題進(jìn)行緩沖。

(4)將設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)控制平臺應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，對其進(jìn)行實(shí)踐測試發(fā)現(xiàn)性能良好，達(dá)到了預(yù)期效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。