PLC礦井掘進機智能控制系統(tǒng)設(shè)計探析

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摘要：礦井掘進機的工作環(huán)境具有高溫、高壓、強電磁干擾等特點，對掘進機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為提高掘進機的生產(chǎn)效率、智能化水平及掘進作業(yè)的安全性，設(shè)計了一種以S7－200plc為核心控制器的掘進機智能控制系統(tǒng)，可完成對掘進機的遠程邏輯控制及工作狀態(tài)參數(shù)檢測控制等功能。經(jīng)實際運行測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功能豐富，可實現(xiàn)掘進機的遠程智能控制。

關(guān)鍵詞：礦井掘進機；PLC；智能控制系統(tǒng)

0引言

掘進機作為煤礦井下巷道采掘工作的重要設(shè)備，其控制精度及智能化程度是提高煤礦掘進效率及質(zhì)量、降低掘進成本的重要影響因素［1］。隨著智能控制及傳感技術(shù)的快速發(fā)展，掘進機控制系統(tǒng)的自動化水平不斷提高，系統(tǒng)功能也不斷豐富和完善。雖然國內(nèi)外對掘進機無人值守及相應(yīng)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了大量調(diào)研，但目前的掘進機控制系統(tǒng)在控制精度、井下作業(yè)環(huán)境適應(yīng)度及穩(wěn)定性等方面仍然存在一定缺陷，難以實現(xiàn)掘進機運行狀態(tài)實時監(jiān)測、掘進機位姿自動檢測、全功能遠程遙控等功能，無法滿足綜掘工作面的自動化需求。目前，國內(nèi)煤礦掘進機的主要作業(yè)形式仍以人工按鈕控制和肉眼識別配合完成，該方法智能化程度較低、操作人員安全性較低、工作量較大，同時掘進質(zhì)量及效率受人為因素影響較大，導(dǎo)致掘進效率低下、截割斷面形成質(zhì)量差。早期的掘進機控制系統(tǒng)采用交流中間繼電器和交流接觸器組合形式進行控制，但該控制形式的接線較為繁瑣，控制功能單一，導(dǎo)致系統(tǒng)維護成本高，掘進效率低下。之后開發(fā)的控制系統(tǒng)以控制器為主線，部分控制系統(tǒng)采用單片機為控制核心實現(xiàn)對掘進機的運動控制及位姿檢測，但隨著對掘進機控制系統(tǒng)智能化水平要求的不斷提高，傳統(tǒng)單片機也無法滿足掘進機的智能控制需求［2］。針對上述問題，本文設(shè)計了一種以PLC為控制核心的掘進機智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)掘進機的運動控制、刀盤速度控制及運行狀態(tài)遠程監(jiān)控等功能，具有邏輯控制功能較強、編程簡單、遠程通訊性能良好、控制精度及響應(yīng)速度高等優(yōu)點。

1掘進機智能控制系統(tǒng)設(shè)計總體方案

1．1掘進機智能控制系統(tǒng)需求分析

在進行控制系統(tǒng)設(shè)計之前，需要對該系統(tǒng)的主要功能需求及指標(biāo)進行分析［3］。掘進機智能控制系統(tǒng)的功能需求分析如下：（1）掘進機的控制方式采用自動、手動組合控制形式，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的工作參數(shù)通過控制程序自動完成掘進工作，并通過采集到的運行參數(shù)對掘進機進行動作及姿態(tài)調(diào)整，還可無擾動切換到手動模式通過操作臺人工完成掘進機的操控。（2）控制系統(tǒng)需對掘進機運行狀態(tài)參數(shù)進行實時采集，并通過PLC實現(xiàn)參數(shù)的分析處理與管理功能。（3）控制系統(tǒng)需通過視頻裝置實現(xiàn)掘進機工作現(xiàn)場的監(jiān)控，包括掘進機運行時的姿態(tài)及截割頭位置；同時為工作人員提供現(xiàn)場運行工況信息，從而及時調(diào)整掘進機的動作、位置及姿態(tài)［4］。（4）控制系統(tǒng)還應(yīng)具備必要的故障報警及保護功能，包括液壓油溫度監(jiān)測、油路壓力監(jiān)測、電機過流保護和過負(fù)荷保護等。

1．2掘進機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述功能需求分析，制定了掘進機智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案［5］。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，即按照功能需求將控制系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊［6］，主要包括PLC、執(zhí)行機構(gòu)、運行參數(shù)監(jiān)測模塊和上位機4部分，如圖1所示。該智能控制系統(tǒng)的核心部分由以PLC為主的下位機和各顯示器及相應(yīng)軟件界面組成的上位機構(gòu)成，PLC下位機主要用于傳感器運行參數(shù)的采集以及輸入量的掃描，經(jīng)上位機程序處理后控制執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)掘進機動作［7］。上位機主要涉及人機交互界面，用于掘進機運行參數(shù)的分析處理和顯示，并將控制指令傳輸至下位機，其硬件主要由工業(yè)計算機、兩個顯示器和一個液晶顯示屏組成。工業(yè)計算機用于運行上位機軟件，顯示器1、2各用于實時顯示現(xiàn)場監(jiān)控影像和掘進機運行數(shù)據(jù)，配電柜顯示屏的參數(shù)由現(xiàn)場防爆攝像頭采集并經(jīng)硬盤錄像機存儲后通過光端機傳輸?shù)玫剑衔粰C與下位機通過PPI協(xié)議進行通訊。運行參數(shù)監(jiān)測模塊主要由各類傳感器組成，用于采集掘進機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳至PLC中。執(zhí)行機構(gòu)模塊由比例電磁閥和運動放大器組成，由PLC輸出的控制信號經(jīng)運動放大器放大后輸出至比例電磁閥控制油缸執(zhí)行相應(yīng)動作。當(dāng)系統(tǒng)運行時，首先由運行參數(shù)監(jiān)測模塊中的各傳感器采集掘進機運行時的參數(shù)信息，主要包括掘進機內(nèi)部電機的電參數(shù)測量（油泵電機、截割電機、轉(zhuǎn)載電機等的電壓電流值）、掘進機機身姿態(tài)與位置的測量、掘進機截割頭位置測量、控制閥的油壓及油溫測量等。隨后運行參數(shù)監(jiān)測模塊將收集到的各狀態(tài)量傳輸至控制器的輸入單元，再由PLC將各運行參數(shù)上傳至上位機控制系統(tǒng)進行分析處理，然后由上位機向PLC下達控制指令，最終通過PLC模擬量輸出模塊所輸出的控制信號控制比例電磁閥對掘進機執(zhí)行液壓控制，還可通過數(shù)字量輸出模塊的輸出信號控制皮帶機正反轉(zhuǎn)。

2硬件方案設(shè)計

掘進機智能控制系統(tǒng)主要由電氣控制柜、功能控制柜和操作臺組成，如圖2所示。電氣控制柜內(nèi)部集成了電參數(shù)傳感器、CO傳感器、液晶顯示屏和從站PLC等器件，主要用于掘進機一次回路的運行控制和保護，位于掘進機尾部。功能控制柜內(nèi)部主要集成了從站PLC、運動放大器和位移傳感器，用于控制比例電磁閥進行采掘工作。操作臺位于遠程控制室內(nèi)，主要包括操作面板、顯示器及控制系統(tǒng)，用于掘進機的遠程控制及參數(shù)監(jiān)測。其中控制系統(tǒng)主要由工業(yè)計算機及主站PLC構(gòu)成，工業(yè)計算機用于運行人機界面，負(fù)責(zé)顯示和分析處理主站PLC上傳的運行參數(shù)，并向PLC下達控制指令；主站PLC用于掃描操作面板的按鈕狀態(tài)，并采集電氣控制柜和功能控制柜兩個從站PLC的數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機程序處理后向兩個從站PLC傳輸電機啟停及油缸動作控制指令。PLC是本系統(tǒng)核心控制部件，該系統(tǒng)對控制器的可靠性要求較高，但對于數(shù)據(jù)解析能力和速度要求并不苛刻，考慮系統(tǒng)成本后本文選用西門子S7－200可編程控制器。CPU選擇S7－226，該CPU具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出。模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊分別選用SM331和SM332，主要用于各類傳感器模擬信號的采集和模擬信號的輸出［8］。由于內(nèi)置型行程傳感器維護較困難，本系統(tǒng)采用4個外置拉線式位移傳感器來檢測油缸的具體行程。本系統(tǒng)方案選擇的型號為MT40，其量程為100mm～1200mm，線性精度為±0．15％FS，輸出信號為4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，防護等級可達IP65，完全符合本系統(tǒng)的位移檢測需求。激光測距傳感器用于掘進機位置與姿態(tài)及截割頭位置的檢測，由于井下惡劣的工作環(huán)境，本系統(tǒng)選用4個工業(yè)級高精度激光測距傳感器來完成掘進機與礦道之間的間距檢測。本系統(tǒng)方案選擇的型號為GLS－B30，其測量距離為0m～100m，最高精度為±2mm，采用外部7V～24V供電，數(shù)據(jù)輸出形式為4mA～20mA電流信號，可滿足本系統(tǒng)的測量需求。

3軟件方案設(shè)計

當(dāng)掘進機及系統(tǒng)檢查無故障后即可通電運行主控程序及上位機顯示器界面，掘進機內(nèi)部3個電機按照先啟動油泵電機再啟動截割電機的順序進行，轉(zhuǎn)載電機可隨時啟動。電機正常運轉(zhuǎn)后，即可通過PLC對執(zhí)行模塊的電磁閥下達操作指令控制掘進機的采掘工作。控制系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。功能控制柜內(nèi)從站PLC的主要作用是向運動放大器提供控制電壓并控制各傳感器采集掘進機運行參數(shù)，其主程序結(jié)構(gòu)簡單，主要包括子程序初始化、模擬量輸出子程序和傳感器采集子程序，如圖4所示。

4結(jié)束語

本文對掘進機智能控制系統(tǒng)的功能需求進行了分析，確定了控制系統(tǒng)的各功能模塊，使用主從站PLC控制單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對掘進機的基本邏輯調(diào)控和現(xiàn)場及工況參數(shù)的實時顯示和操控，可對采掘工作中發(fā)生的故障進行及時的報警與分析，保證掘進機在無人值守情況下可靠運轉(zhuǎn)。該掘進機智能控制系統(tǒng)對于提高井下采掘工作的效率及質(zhì)量具有重要意義。

作者:李斐 單位:山西西山煤電股份有限公司