基于PLC的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

盧 燕

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠，山西 太原 030053）

引言

掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音、高濃度的粉塵，危害現(xiàn)場操作工人的人身安全，也會(huì)限制掘進(jìn)機(jī)操作人員的視野，造成掘進(jìn)機(jī)控制難度大、勞動(dòng)強(qiáng)度高的問題。掘進(jìn)巷道空間狹小、光線暗淡，掘進(jìn)機(jī)截割頭的準(zhǔn)確控制較為困難，大多憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行截割作業(yè)，不能完全掌控掘進(jìn)機(jī)的位置姿態(tài)，造成以下后果：掘進(jìn)效率較低；掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)極易出現(xiàn)超挖欠挖等情況，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)斷面的成型質(zhì)量差，增加巷道修正的成本；掘進(jìn)機(jī)不能準(zhǔn)確行進(jìn)，一旦出現(xiàn)掘進(jìn)偏差，糾正起來極為困難。為了改善掘進(jìn)機(jī)操作人員的工作條件，提高掘進(jìn)機(jī)工作效率，有必要開展遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作[1-2]。

1 系統(tǒng)方案及功能

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的控制功能要求完成了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要包括傳感檢測系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。傳感檢測系統(tǒng)主要由傳感器完成掘進(jìn)機(jī)作業(yè)參數(shù)的采集，包括電壓、電流、壓力、位移等，之后傳輸至PLC進(jìn)行邏輯分析處理[3-4]。電控系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)用于接收開關(guān)量和傳感信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，給出掘進(jìn)機(jī)參數(shù)調(diào)整要求，上位機(jī)用于人機(jī)交互，顯示掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要接收電控系統(tǒng)的指令，完成動(dòng)作控制，包括截割頭油缸、后支撐升降油缸、行走馬達(dá)、轉(zhuǎn)載電機(jī)、油泵電機(jī)、截割電機(jī)等。視頻監(jiān)視系統(tǒng)由攝像頭、光端機(jī)等組成，完成掘進(jìn)機(jī)周圍工作現(xiàn)場的環(huán)境信息采集，實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境、車身姿態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)等。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 關(guān)鍵件選型

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件主要包括PLC控制器、激光測距儀、直線傳感器。控制器選擇西門子S7-200CN系列的PLC產(chǎn)品，適應(yīng)于中型控制系統(tǒng)，其內(nèi)部控制模塊足夠，具有很好的擴(kuò)展性，同時(shí)工作可靠性高、通訊能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，能夠滿足遠(yuǎn)程控制的功能要求。掘進(jìn)機(jī)位姿與截割位置檢測使用激光測距儀和直線傳感器，激光測距儀工作在煤炭巷道內(nèi)部，環(huán)境極為惡劣，需要選擇較大功率的激光測距儀，故而選擇型號為DLS-E50的激光測距儀；直線位移傳感器主要用于檢測掘進(jìn)機(jī)各個(gè)油缸的伸出位移，因掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)具有較大的振動(dòng)，故選擇拉線傳感器為宜，此處選擇1個(gè)KS15拉線傳感器和3個(gè)KS20拉線傳感器。

2.1.2 電氣控制箱設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)電氣控制箱包括PLC控制系統(tǒng)、電流電壓檢測器、瓦斯?jié)舛葯z測儀、液晶顯示屏等，如下頁圖2所示，遠(yuǎn)程控制信號采用PLC-M1接口進(jìn)行傳輸。控制箱能夠接收遠(yuǎn)程控制臺發(fā)出的動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)油泵電機(jī)、截割電機(jī)、轉(zhuǎn)載電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，如各個(gè)電機(jī)的啟停等，同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電機(jī)的電壓和電流，確保各個(gè)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)電氣控制箱

2.1.3 功能控制箱設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能控制箱由箱體和背板組成，如圖3所示，箱體內(nèi)設(shè)置24 V電源、PLC-S3組件、傳感器與電源接線排等，背板主要配置PLC-S2組件和比例電磁閥。功能控制箱不僅為掘進(jìn)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場相關(guān)的傳感器提供電能，還進(jìn)行傳感器信號的采集，將采集得到的傳感器信號傳輸至主PLC-M1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5-6]。功能控制箱還能夠輸出控制指令至運(yùn)動(dòng)放大卡，之后將放大信號傳輸至比例電磁閥，控制掘進(jìn)機(jī)對應(yīng)油缸的動(dòng)作。

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能控制箱

2.1.4 視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)視頻監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示，主要由攝像頭、光端機(jī)、硬盤刻錄機(jī)和顯示器等組成，攝像頭采集的視頻信號由視頻線傳輸至功能控制箱進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，輸出光信號，再經(jīng)光纖傳輸至操作臺進(jìn)行視頻信號的還原。運(yùn)用雙攝像頭檢測掘進(jìn)機(jī)截割臂的位姿狀態(tài)，并顯示于操作臺供操作人員觀察，為其準(zhǔn)確控制掘進(jìn)機(jī)的工作提供可視化界面。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)程序編制在STEP7-MicroWIN編程軟件中進(jìn)行，不僅能夠進(jìn)行PLC程序的開發(fā)，還能對PLC進(jìn)行參數(shù)配置、實(shí)時(shí)監(jiān)視、加密處理等，實(shí)現(xiàn)PLC程序離線條件下的編輯編譯工作。

1）電氣控制箱程序設(shè)計(jì)。電氣控制箱PLC-S1程序主要控制掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的啟停，同時(shí)為其提供安全保護(hù)，具體流程如圖5所示，包括初始化子程序、電壓子程序、截割子程序、轉(zhuǎn)載子程序和電機(jī)故障檢測子程序。初始化子程序主要是在程序啟動(dòng)時(shí)或者程序報(bào)錯(cuò)重置時(shí)運(yùn)行；電壓子程序主要完成控制電網(wǎng)內(nèi)部電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控；截割子程序主要控制掘進(jìn)機(jī)截割頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度；轉(zhuǎn)載子程序控制轉(zhuǎn)載電機(jī)的啟停動(dòng)作。

圖5 電氣控制箱程序

2）功能控制箱程序設(shè)計(jì)。功能控制箱PLC-S3程序?qū)刂菩盘柗糯罂ǖ妮敵鲭妷杭熬蜻M(jìn)機(jī)相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，程序控制流程如圖6所示，由初始化子程序、AO輸出子程序和傳感器采集子程序組成。初始化子程序在程序首次執(zhí)行時(shí)運(yùn)行；AO輸出子程序?qū)LC-M1端口發(fā)送的電壓數(shù)據(jù)傳輸至放大卡進(jìn)行信號處理；傳感器采集子程序進(jìn)行激光測距儀、位移傳感器、電壓電流傳感器等信號的實(shí)時(shí)采集，傳輸給PLC-M1端口。PLC-S2程序主要控制放大卡輸出功能，程序流程與PLC-S3基本一致，只是不存在傳感器采集子程序。

圖6 功能控制箱程序

2.2.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)視界面程序編制采用西門子SIMATICWinCC6.2完成，其能夠方便地與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WinCC6.2進(jìn)行上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)極為簡便，進(jìn)入WinCC6.2程序編輯器，直接調(diào)用編輯變量、圖形等即可快速形成工業(yè)控制界面。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制界面設(shè)計(jì)需求，完成了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示界面，如圖7所示，涉及電網(wǎng)電壓、電機(jī)電流及故障狀態(tài)、截割頭動(dòng)作位置、掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)等，能夠直觀全面地將掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)顯示給操作人員，對掘進(jìn)作業(yè)進(jìn)行有效操控。

圖7 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示界面

3 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，將其應(yīng)用于某型號掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行試應(yīng)用，結(jié)果表明，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制要求。相較于引入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)之前，掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，節(jié)省了近15%的人員成本；掘進(jìn)斷面質(zhì)量得到明顯提升，斷面控制準(zhǔn)確度達(dá)到了98%以上；掘進(jìn)機(jī)行走軌跡控制更加可靠，實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)視與調(diào)整，行走偏差的調(diào)整時(shí)間降低近30%。相關(guān)專業(yè)人員統(tǒng)計(jì)，掘進(jìn)效率提升近25%，預(yù)計(jì)為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益近200萬元/年。