基于PLC的掘進機恒功率調速系統的研究

王 強

（霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 霍州 031412）

引言

目前，掘進機工作時的控制方式多采用作業人員根據采煤機工作時所遇到的地質條件進行人工判斷，調整掘進機截割機構的截割速度及進給速度，避免截割機構的驅動電機因超負荷運行導致損壞[1]。該控制方式對人工經驗依賴性極大、可靠性差，會頻繁導致截割機構驅動電機處于欠載、超負荷運行的情況，不但嚴重影響了掘進機的掘進速度而且也極大降低了電機的使用壽命。為確保掘進機截割機構驅動電機工作的穩定性和使用壽命，就需要確保掘進機在工作時處于恒功率輸出狀態。

1 掘進機恒功率調速控制原理及整體結構

掘進機在工作時，截割結構所輸出的截割轉矩和掘進機的牽引速度成正比，同時其轉矩也取決于所截割的巖壁硬度，當截割機構截割硬度較大的巖壁時會導致驅動電機的負載迅速升高，這個時候為了保護驅動電機，就需要自動降低掘進機的進給速度，從而確保驅動電機能高效、安全的運行。

本文提出的基于PLC的掘進機恒功率調速系統整體結構如圖1所示[2]，在掘進機驅動電機的電流進口設置電流監測裝置，確保在工作過程中能對掘進機的工作電流進行不間斷的監測，然后將電流信號轉換為數字模擬量信號，模擬信號通過數據總線傳遞到PLC控制模塊，經處理后由數據處理擴展模塊傳遞送給系統的CPU單元，在該單元內通過數據轉換器將數字量模擬信號重新轉換為電流信號，在轉換過程中系統PLC控制模塊會將數據庫內的理論電流信號與實際監測到的電流信號進行對比分析，得出電流的變化情況，然后同系統內設定的模糊判斷規則進行對比，利用PLC的模糊處理功能對其進行運算，最終輸出模擬量的控制信號并將控制信號輸送到系統的變頻控制單元，變頻控制單元輸出變頻調制信號控制對驅動電機的電流輸出，實現對采煤機進給速度的控制，確保掘進機在工作中處于恒功率控制狀態。

圖1 掘進機恒功率調速系統結構示意圖

2 基于PLC的PID模糊控制系統

基于PLC的PID模糊控制系統的邏輯控制流程如下頁圖2所示，該控制原理是系統的各輸入的監測信號KP、KI及KD能夠不斷根據系統所監測到的驅動電機電流的變化情況進行調整，在實際應用的過程中為確保對數據信息模糊處理的準確性，本文進行了一系列的實際試驗驗證，根據實際測算結果建立了一個完整的基于PLC的模糊控制規則[3]，使控制系統在不同的數據信號偏差和偏差變化率情況下均能表現出穩定、高效的控制效果。在系統最初運行的階段，電流的偏差值較大，因此需對KD取較小的值，以確保在工作過程中不會出現微分溢出而導致的數據分析失真，同時對KP取值時可以取較大的數值，以提高系統響應的速度和靈敏性。KI取值時應同步取較小的數值用于對數據處理過程中的積分環節進行一定的抑制，提高數據處理的精確性，進入系統調整階段后，系統將自行根據電流變化情況進行調整。

3 恒功率調速系統的仿真分析

為了對該新的掘進機恒功率調速系統的控制效果進行驗證，本文通過電流監測傳感器，將監測到的驅動電機的工作電流的變化情況進行了記錄，結果如下頁圖3所示。

圖2 基于PLC的PID模糊控制流程示意圖

圖3 掘進機工作時的電流實時變化情況

利用MATLAB仿真分析軟件[4]，在Simulink模塊下建立基于PLC的掘進機恒功率調速系統的模糊PID自控數學模型，將系統的階躍響應信號用于模擬控制系統工作時的模擬電流信號，在A點對系統添加上模擬截割機構切割硬質巖石的偏差擾動，在B點對其添加軟質巖石截割信號的偏差擾動，對系統的調整功能進行分選，結果如圖4所示。

由圖3、圖4的分析結果可知，當掘進機的截割機構切割到硬質的巖石后，截割阻力迅速增大，造成驅動電機的工作負載在短時間內出現了一個大的躍升，工作電流同步增加，此時恒功率調速系統接受到電流反饋后啟動調節機制，對截割滾筒的截割轉速進行調整，使驅動電機的截割功率下降到穩定值。同理當掘進機在截割到軟質的巖層時，電機的工作電流隨之降低，恒功率調速系統則控制變頻器加大電流頻率，控制驅動電機的轉速升高，直到驅動電機的功率維持在穩定的值，進而實現對掘進機工作的恒功率控制。

圖4 基于PLC的PID模糊控制流程示意圖

由試驗和仿真分析結果可知，在基于PLC的掘進機恒功率調速系統的調控作用下，掘進機在各種工況下均能維持恒功率工作狀態，不僅避免了驅動電機超負荷工作時帶來的運行故障，而且確保了掘進機的掘進速率，極大提升了煤礦井下的綜采效率。

4 結論

該恒功率調速控制系統能夠根據掘進機在工作時截割滾筒受到的截割阻力自動對其工作情況進行調整，給出最佳的運行參數，極大提升了掘進機的響應速度，降低了工作時系統的超調量，確保了截割機構驅動電機的正常工作，提升了掘進機工作的穩定性和使用壽命，具有極大的應用推廣價值。