基于PLC的礦井掘進機智能控制系統設計

李 斐

(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦， 山西 太原 030052)

0 引言

掘進機作為煤礦井下巷道采掘工作的重要設備，其控制精度及智能化程度是提高煤礦掘進效率及質量、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的快速發展，掘進機控制系統的自動化水平不斷提高，系統功能也不斷豐富和完善。雖然國內外對掘進機無人值守及相應電控系統的關鍵技術進行了大量調研，但目前的掘進機控制系統在控制精度、井下作業環境適應度及穩定性等方面仍然存在一定缺陷，難以實現掘進機運行狀態實時監測、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，國內煤礦掘進機的主要作業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，同時掘進質量及效率受人為因素影響較大，導致掘進效率低下、截割斷面形成質量差。早期的掘進機控制系統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，導致系統維護成本高，掘進效率低下。之后開發的控制系統以控制器為主線，部分控制系統采用單片機為控制核心實現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智能化水平要求的不斷提高，傳統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，本文設計了一種以PLC為控制核心的掘進機智能控制系統，可實現掘進機的運動控制、刀盤速度控制及運行狀態遠程監控等功能，具有邏輯控制功能較強、編程簡單、遠程通訊性能良好、控制精度及響應速度高等優點。

1 掘進機智能控制系統設計總體方案

1.1 掘進機智能控制系統需求分析

在進行控制系統設計之前，需要對該系統的主要功能需求及指標進行分析[3]。掘進機智能控制系統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，可根據系統設定的工作參數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對掘進機進行動作及姿態調整，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) 控制系統需對掘進機運行狀態參數進行實時采集，并通過PLC實現參數的分析處理與管理功能。

(3) 控制系統需通過視頻裝置實現掘進機工作現場的監控，包括掘進機運行時的姿態及截割頭位置;同時為工作人員提供現場運行工況信息，從而及時調整掘進機的動作、位置及姿態[4]。

(4) 控制系統還應具備必要的故障報警及保護功能，包括液壓油溫度監測、油路壓力監測、電機過流保護和過負荷保護等。

1.2 掘進機智能控制系統架構

根據上述功能需求分析，制定了掘進機智能控制系統的總體設計方案[5]。該系統采用模塊化設計方案，即按照功能需求將控制系統劃分為不同的功能模塊[6]，主要包括PLC、執行機構、運行參數監測模塊和上位機4部分，如圖1所示。

圖1 控制系統總體結構框圖

該智能控制系統的核心部分由以PLC為主的下位機和各顯示器及相應軟件界面組成的上位機構成，PLC下位機主要用于傳感器運行參數的采集以及輸入量的掃描，經上位機程序處理后控制執行機構完成相應掘進機動作[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，其硬件主要由工業計算機、兩個顯示器和一個液晶顯示屏組成。工業計算機用于運行上位機軟件，顯示器1、2各用于實時顯示現場監控影像和掘進機運行數據，配電柜顯示屏的參數由現場防爆攝像頭采集并經硬盤錄像機存儲后通過光端機傳輸得到，上位機與下位機通過PPI協議進行通訊。運行參數監測模塊主要由各類傳感器組成，用于采集掘進機運行狀態數據并上傳至PLC中。執行機構模塊由比例電磁閥和運動放大器組成，由PLC輸出的控制信號經運動放大器放大后輸出至比例電磁閥控制油缸執行相應動作。

當系統運行時，首先由運行參數監測模塊中的各傳感器采集掘進機運行時的參數信息，主要包括掘進機內部電機的電參數測量(油泵電機、截割電機、轉載電機等的電壓電流值)、掘進機機身姿態與位置的測量、掘進機截割頭位置測量、控制閥的油壓及油溫測量等。隨后運行參數監測模塊將收集到的各狀態量傳輸至控制器的輸入單元，再由PLC將各運行參數上傳至上位機控制系統進行分析處理，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行液壓控制，還可通過數字量輸出模塊的輸出信號控制皮帶機正反轉。

2 硬件方案設計

掘進機智能控制系統主要由電氣控制柜、功能控制柜和操作臺組成，如圖2所示。電氣控制柜內部集成了電參數傳感器、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，主要包括操作面板、顯示器及控制系統，用于掘進機的遠程控制及參數監測。其中控制系統主要由工業計算機及主站PLC構成，工業計算機用于運行人機界面，負責顯示和分析處理主站PLC上傳的運行參數，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，并采集電氣控制柜和功能控制柜兩個從站PLC的數據，經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。

圖2 控制系統核心硬件構成

PLC是本系統核心控制部件，該系統對控制器的可靠性要求較高，但對于數據解析能力和速度要求并不苛刻，考慮系統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路數字量輸入和16路數字量輸出。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]。

由于內置型行程傳感器維護較困難，本系統采用4個外置拉線式位移傳感器來檢測油缸的具體行程。本系統方案選擇的型號為MT40，其量程為100 mm～1 200 mm，線性精度為±0.15%FS，輸出信號為4 mA～20 mA標準電流信號，防護等級可達IP65，完全符合本系統的位移檢測需求。

激光測距傳感器用于掘進機位置與姿態及截割頭位置的檢測，由于井下惡劣的工作環境，本系統選用4個工業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。本系統方案選擇的型號為GLS-B30，其測量距離為0 m～100 m，最高精度為±2 mm，采用外部7 V～24 V供電，數據輸出形式為4 mA～20 mA電流信號，可滿足本系統的測量需求。

3 軟件方案設計

當掘進機及系統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，轉載電機可隨時啟動。電機正常運轉后，即可通過PLC對執行模塊的電磁閥下達操作指令控制掘進機的采掘工作。控制系統主程序流程如圖3所示。

圖3 控制系統主程序流程圖

功能控制柜內從站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，其主程序結構簡單，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。

圖4 功能控制柜PLC程序流程圖

4 結束語

本文對掘進機智能控制系統的功能需求進行了分析，確定了控制系統的各功能模塊，使用主從站PLC控制單元結構實現了對掘進機的基本邏輯調控和現場及工況參數的實時顯示和操控，可對采掘工作中發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。該掘進機智能控制系統對于提高井下采掘工作的效率及質量具有重要意義。