基于嵌入式軟PLC 掘進機智能控制平臺設計研究

唐耀偉

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037016）

引言

掘進機掘進過程對圍巖的破壞度小，能較大程度保證掘進安全，對煤礦井下開采以及巷道成型具有重要作用，是煤礦生產的關鍵大型設備。近年來隨著智慧礦山概念的提出，機械替換人的理念逐步影響掘進工作，掘進機的智能程度成為衡量煤礦智能化生產的因素之一。智能化控制平臺是掘進機無人化改進的核心，但由于井下環境復雜，對控制平臺元器件有防爆要求，尤其是目前控制核心的PLC，必須放置在笨重的防爆控制柜中，對操作和維護以及電器件的抗振都不利，而控制平臺各控制件和受控件的通信標準不同，增加了控制系統的復雜性，這給井下掘進控制系統的應用帶來困難，基于此本文對嵌入式軟PLC 控制平臺進行研究，保證PLC 控制標準化和邏輯性的同時，實現系統的開放性和跨平臺性，保證井下掘進控制系統的有效性和穩定性。

1 嵌入式軟PLC 控制平臺原理

傳統PLC 的功能實現依托的是ASIC 芯片的加持，通過接收數據與發送指令的控制邏輯實現PLC控制，嵌入式軟PLC 控制是利用軟件與硬件CPU 或MCU 的組合，實現信號接收、編譯與控制信號輸出等，嵌入式軟PLC 的指令集存儲于CPU 或MCU，通過一定的數據掃描周期，通過輸入輸出系統以及數據通信網絡實現傳統PLC 功能。相較于傳統PLC，嵌入式軟PLC 的開放程度更高，擴展性更強，系統的升級和維護不受PLC 廠家控制。嵌入式軟PLC 控制系統的架構體系如圖1 所示，架構分為三層，分別是開發層、通信層和設備層，開發層作為基礎，能夠支持多種編輯語言和通訊標準，主要實現程序的編寫；通訊層主要實現開發層和設備層的連接，設計通信層以網關服務器為主，可以實現同時訪問多個CPU 控制器，保證通信效率；設備層需要在操作硬件設備前預先安裝實時核系統，開發層編寫完成的程序可通過通信層直接下載到操作設備，通過實時核系統將程序轉化為二進制代碼儲存，按照系統設定的方式運行程序。嵌入式軟PLC 控制模式開發層是在上位機運行，控制程序是在硬件控制平臺[1-3]。

圖1 嵌入式PLC 控制系統原理圖

2 基于軟PLC 的掘進機控制系統設計

基于嵌入式軟PLC 的掘進機控制系統架構如下頁圖2 所示，掘進機上安裝的油溫、油位、油壓傳感器采集的模擬量信號和急停、操作、控制回路漏電閉鎖保護、瓦斯閉鎖、繼電器反饋等開關量信號輸入到嵌入式軟PLC 控制器進行處理，根據控制器邏輯形成的決策信號輸出到各受控單元，實現掘進機電機、懸臂、行走、照明、報警以及磁比例多路換向閥的動作以及控制邏輯的完成。控制平臺與各受控元件的通信采用總線方式進行數據通信，自動化控制涉及的控制策略和智能算法模塊在開發系統中開發，并被IEC 應用程序調用。

圖2 基于嵌入式軟PLC 的掘進機控制系統架構

2.1 硬件平臺架構設計

掘進控制平臺的硬件以CCWi-i.MX6UL 為核心，該處理器集成了DDR3 儲存器，WLAN、藍牙、USB 等通信方式以及電源管理等功能，對接平臺的其他硬件，包括數字量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN 總線模塊、數字量驅動模塊、以太網模塊、RS485 模塊、RS232 模塊等，為了實現對掘進機上PWM驅動電磁比例多路換向閥的控制，還增加了功率放大電路以及采樣電阻電流監測模塊。考慮到平臺的集成度較高，為了保證控制器的抗干擾能力，在功能模塊與核心模塊之間進行了信號隔離設計，提升掘進控制平臺的應用環境適應性[4-6]。硬件平臺架構見圖3。

圖3 基于嵌入式軟PLC 的掘進機控制系統硬件架構

2.2 軟件平臺分層設計

與上文提到的嵌入式軟PLC 控制原理相似，掘進控制平臺的軟件設計也采用分層設計技術，以嵌入式驅動以及操作系統為基礎，對平臺控制器進行重新軟件分層設計，旨在配合掘進機控制方式和控制需求，保證控制的相應速度和控制安全。

軟件平臺分層架構圖如圖4 所示，分為開發層、應用層、平臺層和系統層四個層級。系統層選取Linux為操作系統平臺，Linux 操作系統為通用系統，兼容性強，但在實時響應方面存在一定弊端，為此本文采用整體內核架構中搶占式補丁方式提高系統的實時性，滿足平臺層、應用層和開放層的調用需求。應用層實現平臺與掘進機控制機構的對接，可以根據控制需求對不同函數進行調用，調用開發層開發的各類數據庫和應用程序。

圖4 基于嵌入式軟PLC 的掘進機控制系統軟件架構

3 運行效果分析

掘進機上使用的比例多路換向閥具有多負載聯動功能，能夠實現流量的穩定控制，降低設備功耗，對掘進機的自動控制和復合聯動控制具有重要作用。掘進機依托比例電磁閥來控制比例多路換向閥，完成電信號到機械動作的轉化，比例電磁閥通過內部電磁鐵圈的通電和斷電實現電磁閥的開閉，電流穩定是保證電磁閥動作的關鍵因素。為了驗證控制平臺對電磁閥流經電流的控制效果，選擇電流PID 反饋進行測試，通過在控制平臺中對比引入PID 反饋和不引入兩種工況，監測在空占比下輸出PWM 信號的等效電流來表征控制效果，監測時間選擇100 min，監測點繪制成圖5。

圖5 線圈回路電流變化曲線圖

通過實驗得出的線圈回路電流變化曲線圖可以看出，在不引入PID 反饋的工況下，控制比例多路換向閥的比例電磁閥的電流在前2 000 s 不斷降低，至100 min 內穩定在低值，穩定值與設定的值差別很大；引入PID 反饋后，控制比例多路換向閥的比例電磁閥電流在試驗周期內波動在設定值上下，且波動范圍很小，保證了設定電流控制的穩定。通過對電流PID 反饋測試試驗可以得出，設計的掘進機控制平臺PID 功能良好，能夠實時保證比例多路換向閥的控制靈敏度和精度。

4 結論

本文采用分層控制原理進行掘進機嵌入式軟PLC 控制平臺的設計，分析了控制平臺的硬件和軟件框架，為了驗證控制平臺效果，選用電流PID 監測試驗監控引入和不引入PID 反饋的比例電磁閥控制電流大小[7-11]。通過本文研究形成以下結論：

1）掘進控制平臺的硬件以CCWi-i.MX6UL 為核心，并包括數字量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN總線模塊、數字量驅動模塊、以太網模塊、RS485 模塊、RS232 模塊等，為了實現對掘進機上PWM驅動電磁比例多路換向閥的控制，增加了功率放大電路以及采樣電阻電流監測模塊。

2）掘進控制平臺的軟件設計采用分層設計原理，以嵌入式驅動以及操作系統為基礎，軟件平臺分層架構分為開發層、應用層、平臺層和系統層四個層級。系統層選取Linux 為操作系統平臺，Linux 操作系統為通用系統，兼容性強。應用層實現平臺與掘進機控制機構的對接，根據控制需求調用開發層開發的各類數據庫和應用程序。

3）通過在控制平臺中對比引入和不引入PID 反饋兩種工況，監測在占空比下輸出PWM 信號的等效電流來表征控制效果，試驗表明引入PID 反饋后，控制多路換向閥的比例電磁閥電流在試驗周期內波動在設定值上下，且波動范圍很小，保證了設定電流控制的穩定。