礦井掘進(jìn)機(jī)基于PLC控制下的關(guān)鍵模塊設(shè)計及功能研究

張軍軍

（山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

1 PLC控制器概述

為了進(jìn)一步提高竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)采用以PLC為控制器的液壓模塊、刀盤模塊以及主從機(jī)連接總線的分布式智能控制。

在擴(kuò)展模塊與姿態(tài)傳感器的作用下，PLC控制器[1]可以和配電柜電表進(jìn)行通信。掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的主機(jī)PLC控制器的任務(wù)主要是負(fù)責(zé)與其他分布式設(shè)備通信、讀取數(shù)據(jù)。掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)被從機(jī)PLC控制器操控。在PLC控制器作用下，比例換向閥和變量柱塞泵由模擬量輸出模塊控制；電液換向閥和球閥能夠?qū)崿F(xiàn)自身功能，主要靠PLC控制下的數(shù)字量輸出模塊作用；能夠記錄液壓油缸行程、壓力、油液溫度，是在PLC控制下模擬量輸入模塊中的傳感器讀取的；為了解液位狀態(tài)和過濾器工作情況，PLC控制下的數(shù)字量輸入模塊就能達(dá)到要求。掘進(jìn)機(jī)在PLC控制器作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)提供短路和過載保護(hù)功能，為掘進(jìn)機(jī)工作的整個工作系統(tǒng)穩(wěn)定性提供足夠的保障。竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)基于PLC作用下各個模塊名稱、型號以及配備數(shù)量詳見表1所示。

表1 PLC控制器上的模塊選擇

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作性能、工作環(huán)境、控制系統(tǒng)的輸入輸出需要，并集合PLC的控制特性，對竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的液壓模塊、刀盤模塊、掘進(jìn)控制模塊等關(guān)鍵性模塊進(jìn)行設(shè)計和功能說明。

2 液壓模塊設(shè)計

2.1 PLC控制下的液壓模塊功能

掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)[2]的主機(jī)PLC發(fā)出液壓控制指令，液壓控制模塊立即執(zhí)行PLC的指令，傳感器采集到的數(shù)據(jù)由液壓模塊傳送到主機(jī)PLC控制器和液壓系統(tǒng)的顯示屏上。

PLC控制下的液壓模塊能夠指揮油缸支撐動作，使得掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)刀盤。液壓系統(tǒng)中的八個油缸協(xié)同完成支撐動作，上層的四個油缸和下層的四個油缸能夠克服掘進(jìn)機(jī)在刀盤旋轉(zhuǎn)受到的反向作用力，還可以在支撐板上的協(xié)助下，不斷調(diào)整掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時井壁的高度。采用機(jī)械強(qiáng)制同步動作，并聯(lián)的四個油缸共同作用在刀盤上，使其不斷向前推進(jìn)，使刀盤在掘進(jìn)過程中伸出或退回。

2.2 PLC控制的液壓模塊設(shè)計

在從機(jī)PLC上編寫程序運(yùn)行代碼，通過總線與主機(jī)PLC通信[3]，得到主機(jī)PLC命令后，液壓模塊將執(zhí)行該命令。設(shè)計的液壓模塊必須能夠在主機(jī)的命令下，控制液壓器件的執(zhí)行動作，協(xié)調(diào)并控制油泵、換向閥和比例閥三者之間的功能。主機(jī)PLC收到總線通信中傳來傳感器收集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，控制液壓動作閉環(huán)，并把液壓系統(tǒng)實時工作情況反饋到液壓顯示屏上。

基于PLC控制的液壓模塊可以支撐掘進(jìn)機(jī)實現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)動、成組運(yùn)動和分層運(yùn)動。PLC控制器上的液壓模塊令控制八個支撐靴板運(yùn)動，控制器的旋鈕即可調(diào)整伸縮速度，這就是單獨(dú)運(yùn)動模式。在PLC控制器上液壓模塊控制著某一方向安裝的正、反向的支承油缸，若一個油缸按正向運(yùn)動，同時反向安裝的油缸就朝相反方向運(yùn)動，這就是成組運(yùn)動模式。PLC主令面板下的液壓模塊控制著上下兩層油缸的同伸同縮，伸縮速度通過面板上的旋鈕調(diào)節(jié)。

液壓模塊控制下的主油泵油路在推進(jìn)油缸的過程中，可以實現(xiàn)快速運(yùn)動，也可以使得副油泵油路慢速運(yùn)轉(zhuǎn)。推進(jìn)油缸快速運(yùn)動是在快速支撐和縮回的兩個環(huán)節(jié)中實現(xiàn)，保持油缸足夠壓力則是靠慢速微調(diào)，這樣掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時，與巖壁有足夠的支撐力，也能調(diào)整掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中跑偏問題。

3 刀盤模塊和掘進(jìn)模塊設(shè)計

3.1 刀盤模塊設(shè)計

根據(jù)選定的四臺刀盤電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)負(fù)載、運(yùn)行速度等情況設(shè)計刀盤控制模塊，刀盤模塊不僅要實現(xiàn)控制刀盤作用，還要能夠診斷電機(jī)故障以及電機(jī)運(yùn)行工況。首先選擇合適的驅(qū)動型號的變頻器，滿足變頻器與PLC控制器信息交流的同時，再設(shè)計滿足掘進(jìn)機(jī)刀盤使用要求的模塊，最終控制刀盤的動作。

刀盤驅(qū)動模塊設(shè)計時要考慮與刀盤電機(jī)變頻器匹配。通過刀盤電機(jī)驅(qū)動控制需求，要求刀盤模塊既能協(xié)調(diào)控制、均衡負(fù)載，還可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)與PLC總控器的聯(lián)系。竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)中的刀盤模塊選用ACS900系列變頻器，該系列的變頻器采用先進(jìn)的DTC控制轉(zhuǎn)矩，是現(xiàn)下較為先進(jìn)的控制交流電機(jī)的變頻器[4]，而且該系列的模塊能夠支持編程，與其他模塊可以很好的銜接。該系列的刀盤模塊與現(xiàn)場配適器總線通信，快速實現(xiàn)與主機(jī)PLC交換信息。

實時監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)基于PLC控制下刀盤驅(qū)動模塊在工作中的信息。掘進(jìn)機(jī)電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等均可被刀盤模塊掌握，若刀盤發(fā)生故障，該刀盤模塊自動啟動診斷命令，進(jìn)行檢測，將檢測的信息傳輸?shù)絇LC控制器，同時還會向變頻器發(fā)出控制轉(zhuǎn)速的命令。采用該系列的刀盤模塊能夠?qū)崿F(xiàn)總線數(shù)據(jù)雙向通信，確保信息穩(wěn)定，刀盤工作可靠。ACS900系列刀盤模塊通過讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速返回的編碼器上的信息，采用閉環(huán)的形式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；在與光纖擴(kuò)展通信模塊聯(lián)系下，實現(xiàn)變頻器采用“一主三從”驅(qū)動方式，同時控制四臺電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而達(dá)到控制刀盤旋轉(zhuǎn)的目的。

3.2 掘進(jìn)控制模塊設(shè)計

掘進(jìn)機(jī)有手動掘進(jìn)和自動掘進(jìn)兩種操作模式。兩者掘進(jìn)動作一樣，在操作面板上通過切換按鈕實現(xiàn)掘進(jìn)模式的轉(zhuǎn)變。掘進(jìn)機(jī)手動掘進(jìn)模式是操作人員在遠(yuǎn)程控制主機(jī)上操作或者在掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)控制室里進(jìn)行操作，這樣掘進(jìn)機(jī)在操作人員的操作下運(yùn)行；掘進(jìn)機(jī)的自動掘進(jìn)模式則是掘進(jìn)機(jī)自動完成掘進(jìn)過程，操作員只需在監(jiān)控室里監(jiān)視，一旦發(fā)生故障、安全等情況可立即結(jié)束自動掘進(jìn)。

掘進(jìn)機(jī)控制模塊可以使掘進(jìn)機(jī)在一個周期內(nèi)“邁步式”掘進(jìn)運(yùn)動，在掘進(jìn)模塊控制下的掘進(jìn)流程如圖1。掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)整是在支撐油缸執(zhí)行命令動作后進(jìn)行，實現(xiàn)正常支撐后，掘進(jìn)機(jī)在電機(jī)驅(qū)動下刀盤旋轉(zhuǎn)開來，慢慢推進(jìn)油缸，最大伸出長度被油缸推進(jìn)達(dá)到，破巖刀盤旋轉(zhuǎn)停止。在刀盤抵觸巖石工作面時，掘進(jìn)控制模塊發(fā)出油缸收回的命令，在牽引鋼纜協(xié)同配合下，推進(jìn)油缸開始慢慢回收，掘進(jìn)機(jī)整體往下移動，當(dāng)控制的油缸完全收回時，支撐油缸以最大速度快速抵觸到巖壁，在掘進(jìn)模塊控制下，慢慢調(diào)整掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)高度、力度等，然后又進(jìn)入到下一個循環(huán)當(dāng)中去。整個過程中，掘進(jìn)機(jī)在基于PLC控制下的掘進(jìn)模塊功能實現(xiàn)“邁步式”運(yùn)動。

圖1 掘進(jìn)流程

4 現(xiàn)場測試

對竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)PLC控制下的液壓模塊、刀盤模塊以及掘進(jìn)模塊設(shè)計后，通過調(diào)試、配置、連接，在竹林山煤礦對硬件和軟件進(jìn)行了現(xiàn)場測試，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)一步完善和修改各個模塊，以確保竹林山煤礦在使用時PLC控制的各個模塊工作的可靠性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場測試地面監(jiān)控的場景如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場測試照片

PLC控制器與編程器相連接，掘進(jìn)機(jī)各項設(shè)計模塊通過被STEP8在線監(jiān)測測試。確定一切準(zhǔn)備工作就緒后，在操作人員、設(shè)計人員以及其他專業(yè)技術(shù)人員相互配合下，對掘進(jìn)機(jī)工作期間的液壓控制模塊、刀盤模塊和掘進(jìn)控制模塊進(jìn)行測試。測試PLC控制下的液壓模塊運(yùn)行情況、刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、以及手動掘進(jìn)與自動掘進(jìn)模式的運(yùn)行功能。通過現(xiàn)場測試，液壓模塊能夠?qū)崿F(xiàn)控制主油泵油缸推進(jìn)速度和副油泵油路慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，掘進(jìn)機(jī)作用巖壁動力充足，快速調(diào)整掘進(jìn)機(jī)跑偏；ACS900系列刀盤模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和刀盤旋轉(zhuǎn)性能良好；掘進(jìn)機(jī)在基于PLC控制下的掘進(jìn)模塊功能實現(xiàn)“邁步式”運(yùn)動。試驗結(jié)果表明基于PLC控制下設(shè)計的液壓模塊、刀盤模塊和掘進(jìn)控制模塊合理可行，可以提高竹林山煤礦掘進(jìn)機(jī)整個系統(tǒng)工作要求和標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

（1）PLC控制下的液壓模塊能夠執(zhí)行油缸支撐動作和刀盤在掘進(jìn)過程中伸出或退回。液壓模塊能夠?qū)崿F(xiàn)控制主油泵油缸推進(jìn)速度和副油泵油路慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，使掘進(jìn)機(jī)作用巖壁動力充足，快速調(diào)整掘進(jìn)機(jī)跑偏。

（2）根據(jù)電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)負(fù)載、運(yùn)行速度等情況，設(shè)計選用的ACS900系列液壓模塊，該模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和刀盤旋轉(zhuǎn)性能優(yōu)良。

（3）掘進(jìn)控制模塊有手動掘進(jìn)和自動掘進(jìn)兩種操作模式，在基于PLC控制下的掘進(jìn)模塊功能能使掘進(jìn)機(jī)實現(xiàn)“邁步式”運(yùn)動。