基于PLC 的全斷面煤巷掘進機控制系統分析

馮 宇

（晉能控股煤業集團白洞礦業公司， 山西 大同 037003）

引言

我國煤礦采掘業正以每年8～12 m 的超速向地殼深處開采，目前眾多煤礦采掘企業開掘深度已經達到了1 300 m，甚至開始向更深開發。煤礦開采行業將逐步進入1 500 m 大關。全斷面掘進機作為新型礦采器械有著機械化程度高，人員配備少，系統故障率低，后期維護方便等天然優勢，在近些年的煤炭開采行業已經得到了廣泛應用并頗獲好評。而全斷面掘進機的核心組成部位電氣控制系統的優劣與否，是會直接關系到企業礦采產量的重要因素。因此目前國內外專家學者對電氣控制系統大多還是基于PLC 技術上開發的，結合了PLC 技術開發控制系統的全斷面掘進機故障率低，后期維修便捷，數據遠程自動上傳，且能夠對后續掘進機的更新改進、擴展提供數據基礎，對國內地采行業的發展具有很深遠的意義。

1 PLC 系統的結構

全斷面掘進機系統結構如下圖1 所示，系統是由PLC 主控單元、人機界面、操作臺、遠程箱、外部檢測系統、視頻數據監控系統以及刀盤驅動系統等主要部分組成[1]。PLC 主要操控由傳感器完成的對掘進機工作狀態的檢測數據，再進行處理計算，并經由傳感器反饋，進而由執行機構按照PLC 的命令狀態對掘進機做出相應的指示動作命令，操控臺主要是一些顯示掘進機工作狀態的開關以及命令按鈕；人機交互界面主要是顯示、儲存控制系統當前的運行工作狀態，且同時具有遠程數據上傳的功能，能夠及時與監控中心數據共享，預留網絡通信端口與未來TBM 智能有效連接。而刀盤驅動系統可以實現同時對多臺130 kW 變頻電機的控制。

圖1 全斷面掘進機控制系統結構圖

2 PLC 控制系統

2.1 PLC 硬件

本文考慮了實際控制系統要求，因此，西門子品牌57 主控制單元300 系列PLC 充分考慮了機器的集成控制，例如PLC 主控制單元的序列號輸入和輸出，模擬量獲取和通訊端口功能。作為PLC 命令程序，西門子57-300 核心CPU 具有獨立的數據處理和存儲功能，以及開關量和稀有量的檢測和判斷，以及模擬量的獲取和分析。考慮到系統對網絡通信有特殊要求，因此還選擇了西門子CPU319-3 PN/DP。Siemens 57-300PLC 具有出色的技術性能，它具有2048（FC），（FB），（DB），512KF3 工作存儲區，256/256 KB 過程映像區，512 S7 計數器/定時器，位操作指令時間僅適用于0.05 s，具有強大的計算和分析功能。

2.2 輸入輸出程序的結構

當在PLC 中設計其核心程序時，對于一般系統，我們將使用“傳感器輸入，處理操作，輸出執行器”的簡單程序結構設計。設計程序的邏輯控制過程中的輸入和輸出點更加復雜，因為普通的編程結構不能滿足使用要求，并且整個面板不能得到很好的控制。基于上述原因，不僅系統的輸入輸出點面臨著復雜的工作環境和基礎，而且原因在于我們采用了“傳感器輸入，圖像輸入，處理操作，圖像輸出和輸出”的TPM 結構。“輸出執行程序”，以設計特定的程序。在PLC 的THE 結構中，用于輸入和輸出的是圖像輸入和輸出的結構，圖像輸入和輸出的邏輯控制，然后是圖像輸入和實際輸入以及圖像輸出和程序是與實際輸出分開的，可以輕松靈活地調整上述方法，而無需更改輸入和輸出之間的邏輯關系。當我們需要根據場景的實際情況更改場景的輸入和輸出時，只需對程序進行簡單的修改即可，為程序開發人員節約了時間，如果某些硬件變化對程序的實際使用影響不大，直接用于同一類型的PLC 它只能重新定義圖像輸入和輸出與實際輸入和輸出之間的邏輯關系，因此將來的程序開發也很方便。

2.3 主應用程序結構

全斷面掘進機的正常工作流程為：氣缸啟動支座和煤壁與圍繞氣缸的主梁緊密連接，支座與切刀頭連接，切刀頭切入煤路段。駕駛運動完成后，駕駛員的后部支撐油缸伸出并擠壓地面，然后縮回左右支撐蹄油缸。向前推動圓柱體將復位并驅動支撐靴和機身后部向前移動，從而完成推動過程。圖2 為掘進機主程序控制流程圖[2]。

當需要收回機器時，需要控制地面上的拉伸支撐管的壓力，并且將四個撐靴管從洞穴壁縮回以啟動，同時控制切割機的停機時間，然后推出油管掛靴子和機身部位。經過一次后退過程之后，達到背壓值，控制撐靴的油缸使靴緊緊地抓住洞壁，前后支撐油缸，向后推油缸，刀頭后退以完成后勤工作周期。全斷面掘進機的驅動過程是一個連續的循環過程，可控制前進和后退。

3 人機界面

本研究中提到的人機交互軟件, 主要是依托于組態軟件PCVUE 來實現其功能的。它對于掘進機的控制過程以及顯示結果都是通過工業計算機來傳遞。具體的控制過程顯示主要是分為兩個部分，分別借助兩個大屏幕來分開顯示。組態軟件從一開始的設計過程到中間的開發過程都較為簡單，未來的改造將會更加便捷與容易實現。

圖2 掘進機主程序控制流程圖

人機交互軟件這個程序的主界面不是由一個單一的界面構成, 而是由兩組具有不同屬性的界面來呈現。在顯示標題機器切割頭的左側，是機器支撐靴和機器后部支撐架的工作狀態，在右側是機器皮帶系統、水系統、冷卻系統和機器液壓系統的狀態，以及主界面左側的相應按鈕，在操作過程中，可以為每個子系統設置調試好的輸入過程，并進行詳細地控制和信息查詢。

4 刀盤驅動電機控制程序

采用主從關系控制方法來控制掘進機的頭部電動機的驅動。主電機采用V/F 控制方式，從電機采用恒功率控制方式。刀頭具有8 個130 kW 的驅動電機。每個電動機的驅動器都是依賴于矢量控制模式下的變頻器來實現的。八環電機主要是將齒圈與減速器相結合，在運行過程中得到虛擬信號，通過脈沖分配器來接收并存儲信號[3]。

刀盤驅動在復雜的電機控制方面提出了兩種新的邏輯。一種邏輯是主從電機相結合；另一個邏輯是8 號電動機是主電動機，其他電動機也來自該電動機。為了確保系統控制過程的可靠運行，已添加了一組編碼器。這兩個編碼器生成編碼信號，并使用脈沖分頻器分配編碼信號。主PLC 用于發布命令，從電機驅動器的程序控制由PLC 執行。刀盤驅動系統控制原理圖如圖3 所示。

圖3 刀盤驅動系統控制原理圖

5 結語

本研究指出，隸屬于西門子S7-30 系列的PLC控制系統的主要作用是對綜合掘進過程進行調節與控制。首先通過分析掘進過程中的一些基本要求，將要求轉變成具體可行性方案，根據方案來選取適用的PLC 類型，同時對硬件結構也要加以改進，對于綜合流程進行梳理，對相關的控制系統進行完善，通過直接的人機交互程序介紹了刀頭控制的實現，該程序適用于各種類型的全方位巷道掘進機控制系統。