楊炳文,　付文俊,　劉志強(qiáng)

(1.天地科技建井研究院， 北京　100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司， 北京　100013)

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豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊炳文1，2,付文俊1，2,劉志強(qiáng)1，2

(1.天地科技建井研究院， 北京100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司， 北京100013)

為保證豎井掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)組成、工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用2組PLC，根據(jù)工作模式控制相關(guān)油泵、刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)及推進(jìn)支撐油缸等，并將狀態(tài)參數(shù)上傳給本地操作平臺(tái)及遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

豎井掘進(jìn)機(jī)； PLC控制； 刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)； 液壓推進(jìn)及支撐

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1007.002.html

0　引言

豎井掘進(jìn)機(jī)是一種用于礦山豎井井筒建設(shè)的大型全斷面掘進(jìn)綜合鑿井設(shè)備，具有破巖機(jī)械化、控制自動(dòng)化、安全防護(hù)性好等特點(diǎn)。豎井掘進(jìn)機(jī)一般工作在高溫、高壓、大濕度、高粉塵、高電磁干擾環(huán)境下，且伴隨有工作振動(dòng)。為保證其可靠、穩(wěn)定工作，需要高性能、高可靠性的電控系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]，因此本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于PLC的豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)組成及原理

豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)主要由刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分、液壓推進(jìn)及支撐部分、PLC控制部分、通信顯示部分、保護(hù)回路等組成。

豎井掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)由4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。4臺(tái)電動(dòng)機(jī)均由各自變頻器控制，由PLC控制變頻器，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)破巖。液壓推進(jìn)及支撐部分通過(guò)推進(jìn)油缸推動(dòng)刀盤(pán)向下進(jìn)行破巖工作，并通過(guò)支撐油缸將整個(gè)豎井掘進(jìn)機(jī)撐緊在井壁上，以克服刀盤(pán)破巖旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩，并承受推進(jìn)油缸推動(dòng)刀盤(pán)破巖時(shí)產(chǎn)生的反作用力。PLC控制部分以PLC為核心控制器件，接收本地控制平臺(tái)和遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的操作指令并進(jìn)行響應(yīng)。PLC通過(guò)比例換向閥控制油缸伸縮，并檢測(cè)行程和油壓，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整比例換向閥的開(kāi)啟度來(lái)保證油壓穩(wěn)定、支撐牢固[2]；通過(guò)兩通換向閥控制主、副油泵給推進(jìn)油缸或支撐油缸供壓；通過(guò)溢流閥及變量泵控制油路壓力。同時(shí)PLC接收各傳感器及儀表輸入的狀態(tài)參數(shù)(包括環(huán)境參數(shù)、液位、油壓、油溫、行程、電流、轉(zhuǎn)速等)，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)異常報(bào)警及保護(hù)[3],同時(shí)將狀態(tài)參數(shù)上傳給本地操作平臺(tái)及遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。通信顯示部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的通信，并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)及參數(shù)。保護(hù)回路主要由傳感器、電流表等提供檢測(cè)信號(hào)，PLC根據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行異常判斷，實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)下的報(bào)警及保護(hù)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

2.1PLC控制部分

采用2組PLC組成控制回路，一組為主PLC功能組，另一組為液壓PLC功能組。2組PLC之間通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)通信，傳遞指令、狀態(tài)參數(shù)等。主PLC功能組包括CPU模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊及通信模塊。主PLC功能組通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)與遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)及變頻器通信，通過(guò)數(shù)字量、模擬量輸入模塊獲得本地控制平臺(tái)的控制指令及操作參數(shù)，通過(guò)數(shù)字量輸出模塊驅(qū)動(dòng)本地控制平臺(tái)的指示燈進(jìn)行狀態(tài)顯示，通過(guò)通信模塊讀取各配電柜儀表參數(shù)[4]。

圖1　豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成

液壓PLC功能組包括CPU模塊、模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊，主要負(fù)責(zé)液壓推進(jìn)及支撐部分的控制和檢測(cè)，通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)從主PLC功能組獲取控制參數(shù)，通過(guò)輸入模塊從各傳感器處獲取油壓、液位、油溫、行程等參數(shù)，通過(guò)輸出模塊控制液壓泵站電動(dòng)機(jī)、電磁控制閥等，同時(shí)將相關(guān)參數(shù)傳回主PLC功能組。

2組PLC分別通過(guò)MPI總線(xiàn)與本地控制平臺(tái)的觸摸屏連接，接收操作指令并進(jìn)行狀態(tài)顯示。

2.2刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分

豎井掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)分別配有1臺(tái)變頻器，采用“一主三從”控制方式。選定其中1臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為主電動(dòng)機(jī)，并配有編碼器。PLC與主電動(dòng)機(jī)變頻器之間通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)通信，完成運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集與轉(zhuǎn)速設(shè)定功能，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)。主、從電動(dòng)機(jī)變頻器之間通過(guò)變頻器的RDCO模塊連接。通過(guò)設(shè)置變頻器參數(shù)，將主電動(dòng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)引出，作為從電動(dòng)機(jī)變頻器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，保證4臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由主PLC功能組根據(jù)本地控制平臺(tái)或遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置值控制，且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度、電流、功率等信息由主PLC功能組采集。

鹽酸羥考酮注射液預(yù)處理在肺癌根治術(shù)中的應(yīng)用效果及對(duì)機(jī)體免疫功能的影響……………………… 胡豐登 張婷 陳銀巧 等（1）66

2.3液壓推進(jìn)及支撐部分

液壓推進(jìn)及支撐部分主要包括4個(gè)推進(jìn)油缸、8個(gè)支撐油缸，以及相應(yīng)的電控閥門(mén)和行程檢測(cè)等設(shè)備，由液壓控制PLC功能組控制，完成整個(gè)豎井掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)及支撐操作。以下為液壓PLC功能組對(duì)液壓推進(jìn)及支撐部分的具體控制功能。

(1) 開(kāi)始工作，向冷卻泵、潤(rùn)滑泵、濾油泵供電，根據(jù)油溫控制加熱器工作。

(2) 與主PLC功能組通信，獲取控制參數(shù)。通過(guò)各種采集設(shè)備采集狀態(tài)信息，同時(shí)向主PLC功能組發(fā)送液壓工況信息。

(3) 根據(jù)控制參數(shù)啟動(dòng)主、副油泵，輸出0～10 V信號(hào)并通過(guò)電流放大板驅(qū)動(dòng)變量泵，輸出4～20 mA信號(hào)控制比例換向閥，輸出0～10 V信號(hào)控制比例溢流閥，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制換向閥。

(4) 給主油泵供電，用于推進(jìn)及支撐的快速動(dòng)作。快速動(dòng)作到位后，關(guān)閉主油泵，啟動(dòng)副油泵實(shí)現(xiàn)微調(diào)及保壓功能。正常工作期間只使用副油泵完成推進(jìn)及支撐動(dòng)作。

(5) 在工作過(guò)程中發(fā)生憋鉆時(shí)，自動(dòng)上提鉆頭重新開(kāi)鉆。通過(guò)姿態(tài)檢測(cè)儀器檢測(cè)是否偏鉆，實(shí)現(xiàn)智能糾偏控制。

(6) 保護(hù)及報(bào)警。通過(guò)接收相應(yīng)傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)液位過(guò)低報(bào)警、過(guò)濾器換芯報(bào)警、行程檢測(cè)異常報(bào)警等。

2.4通信顯示部分

遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)與主PLC功能組通信，采用組態(tài)軟件WinCC編寫(xiě)人機(jī)交互界面。

本地操作平臺(tái)配有2塊觸摸屏，分別與2個(gè)PLC功能組相連，用于顯示系統(tǒng)電流、工作狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、報(bào)警信息等。觸摸屏與PLC之間通過(guò)MPI協(xié)議通信，并使用組態(tài)軟件WinCC Flexible編寫(xiě)人機(jī)交互界面。

主PLC功能組的通信模塊通過(guò)Modbus協(xié)議獲取各個(gè)配電柜的電流表參數(shù)等。

2.5保護(hù)回路

系統(tǒng)配有急停按鍵，用于緊急情況斷電。系統(tǒng)運(yùn)行中，若出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、瓦斯超限等情況，立即停止電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并顯示故障狀態(tài)。通過(guò)各種傳感器采集油壓、行程等參數(shù)，超過(guò)設(shè)定值時(shí)顯示報(bào)警。液位極低、過(guò)濾器需要換芯時(shí)顯示提示信息。各種電動(dòng)機(jī)可進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主PLC功能模塊和液壓PLC功能模塊，程序流程分別如圖2、圖3所示。

圖2　主PLC功能模塊程序流程

圖3　液壓PLC模塊程序流程

4　結(jié)語(yǔ)

基于PLC的豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)具有可靠性高、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，能有效完成掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)控制任務(wù)，并實(shí)時(shí)顯示整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。該控制系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際豎井掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)行狀態(tài)良好。

[1]趙四海,胡于偉,趙哲謙,等.基于PLC的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2013, 39(8):102-104.

[2]朱金雨,李國(guó)蓮.液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化, 2013, 39(12):1-4.

[3]滕麗麗, 滕俊章.基于PLC的懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械, 2014, 35(4)：133-134.

[4]賈運(yùn)紅.Modbus協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法[J].工礦自動(dòng)化, 2015, 41(10):61-65.

Design of shaft boring machine control system

YANG Bingwen1，2,FU Wenjun1，2,LIU Zhiqiang1，2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China;2.Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Beijing 100013, China)

In order to ensure stable and reliable operation of shaft boring machine, an shaft boring machine control system based on PLC was designed, and composition, working principle and software and hardware design schemes were introduced. The system uses two PLC units to control corresponding oil pump, cutting bar rotating motor and pushing and supporting cylinder according to working mode, and uploads state parameters to local operation platform or remote controlling computer for display. The practical application shows that the system runs well.

shaft boring machine; PLC control; cutting bar rotating driving; hydraulic pushing and supporting

1671-251X(2016)09-0005-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.002

2016-03-11；

2016-07-22；責(zé)任編輯：李明。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA06A403)。

楊炳文(1984-)，男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊旱V建設(shè)技術(shù)裝備，E-mail:yangbingwenbbs@163.com。

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A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 10:07

楊炳文, 付文俊, 劉志強(qiáng).豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(9)：5-8.