劉海濱

(西山煤電股份有限公司 西銘煤礦， 山西 太原 030052)

0 引言

在傳統(tǒng)的豎井開采方法中，大部分工作通過人工完成，增加了礦井豎井施工的時(shí)間。在利用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行的豎井施工過程中，掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，需要警惕井孔內(nèi)的井下突水和瓦斯氣體等。隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，研究豎井掘進(jìn)機(jī)工作方法，提升礦井井筒建設(shè)效率，顯得尤為重要。本文針對掘進(jìn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動(dòng)模塊，設(shè)計(jì)相關(guān)動(dòng)作控制方案和硬件結(jié)構(gòu)，介紹了掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)各模塊的功能[1]。

1 故障預(yù)測方案設(shè)計(jì)

豎井掘進(jìn)機(jī)的故障預(yù)測機(jī)制主要以PHM(故障預(yù)測與監(jiān)控管理)技術(shù)作為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障診斷、故障預(yù)測、維修方案建議等功能。該技術(shù)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、通信技術(shù)，使故障檢測轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)監(jiān)控管理，既降低了系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，又增加了掘進(jìn)機(jī)工作的可靠性。

豎井掘進(jìn)機(jī)的故障預(yù)測機(jī)制原理如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)分析、故障診斷、健康管理3個(gè)部分[2]。傳感器對掘進(jìn)機(jī)的工作系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，與歷史數(shù)據(jù)比較，提取出工作的特征量，得出掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，并進(jìn)行判斷，若判定為掘進(jìn)機(jī)故障，則發(fā)出故障信號，若沒有故障，則與各個(gè)器件的預(yù)計(jì)壽命比較，根據(jù)元件的使用壽命，判斷是否需要進(jìn)行元件更換。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豎井掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)采用兩個(gè)PLC控制器組成主、從控制系統(tǒng)。在主機(jī)外界的數(shù)字量和模擬量采集模塊中，主要采集刀盤的電氣信息，包括旋鈕、搖桿和刀盤的操作桿，采用MPU6050姿態(tài)傳；感器獲取刀盤導(dǎo)向數(shù)據(jù)，并通過變頻器對刀盤進(jìn)行控制。從機(jī)主要負(fù)責(zé)液壓模塊的監(jiān)測和控制，采集的數(shù)據(jù)主要包括油壓、油溫和油缸的行程數(shù)據(jù)，通過控制球閥和換向閥實(shí)現(xiàn)對液壓模塊的控制。

圖1 掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測原理

在掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，主從機(jī)之間的通信采用PROFIBUS總線技術(shù)，通過一根總線就可以實(shí)現(xiàn)主、從機(jī)之間的通信，現(xiàn)場安裝較為方便。由于煤礦井下條件惡劣、環(huán)境嘈雜，故在電氣控制系統(tǒng)的主機(jī)和遠(yuǎn)程顯示器之間通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，光纖通信可以減少現(xiàn)場干擾的影響，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性。姿態(tài)傳感器作為一種成熟的智能傳感器，在與主機(jī)的通信中，選擇問答式的MODBUS通信協(xié)議完成通信。

圖2 控制系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器選型

豎井掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心選用可編程邏輯控制器(PLC)[3-4]。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括多路的模擬量和數(shù)字量，需要根據(jù)姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，控制刀盤繼電器的工作。在網(wǎng)絡(luò)通信方面，融合了Modbus技術(shù)、PROFIBUS總線技術(shù)和相關(guān)的串口通信技術(shù)。結(jié)合以上工作需求，PLC的選型為S7-300，該款控制器可以在外部24VDC的供電下穩(wěn)定工作，工作時(shí)的額定電流為1.25A，內(nèi)置的PROFIBUS-DP接口可以方便地實(shí)現(xiàn)主、從機(jī)之間的通信。系統(tǒng)可以配置內(nèi)置存儲(chǔ)卡，在控制器斷電的情況下保存程序和數(shù)據(jù)。

3.2 接口擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)

在以PLC為核心的控制系統(tǒng)中，需要配置相關(guān)的I/O口，進(jìn)行串口的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路采集。

主機(jī)I/O口數(shù)量的統(tǒng)計(jì)如圖1所示，數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為11，數(shù)字量輸出為10，模擬量輸入個(gè)數(shù)為2。配置為1塊32路的數(shù)字量輸入模塊DI32×DC24V，1塊32路的DO32×DC24V，1 塊 12位模擬量輸入模塊AI8×12 bit。

從機(jī)I/O口數(shù)量的統(tǒng)計(jì)如圖2所示，數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為6，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為11，模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為2，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)為6，因此，需要配置1塊12位模擬量輸入模塊AI8×12 bit，1塊12位模擬量輸出模塊AO8×12 bit，1 塊32路的數(shù)字量輸入模塊DI32x DC24V。1塊32路的數(shù)字量輸出模塊DO32x DC24V。 主、從機(jī)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)見表1、表2。

3.3 電源模塊選型

傳感器的供電壓為5VDC,外部電池的電壓為12 V。可以利用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行降壓，降壓芯片采用LM-2596S，該芯片的輸出電流可高達(dá)3A,具有3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出,輸出電流的最大值為2A。在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)。LM-2596S降壓電路原理如圖3所示。

表1 主機(jī)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 從機(jī)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3 LM-2596S降壓電路原理

3.4 MPU6050電路設(shè)計(jì)

在掘進(jìn)機(jī)的工作過程中，為了糾正偏移量，需要在控制系統(tǒng)中增加姿態(tài)監(jiān)測模塊，采用糾偏控制策略，通過糾正姿態(tài)，提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率，提高掘進(jìn)機(jī)工作的智能化，姿態(tài)量的采集使用MPU6050模塊，該模塊集成了重力傳感器、加速度傳感器等原件，可以采集模塊的姿態(tài)數(shù)據(jù)，方便用戶解算數(shù)據(jù),降低PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)算難度。角速度全格感測范圍為±250°/s、±500°/s、±1 000°/s、±2 000°/s。加速器全格感測范圍為±2g、±4g，±8g與±16g。MPU6050電路設(shè)計(jì)如圖4所示,可以采用3.3 V供電，數(shù)據(jù)通信方式為I2C。

圖4 MPU6050電路設(shè)計(jì)

4 刀盤控制模塊設(shè)計(jì)

刀盤使用4臺大功率鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，4臺電動(dòng)機(jī)通過減速裝置共同驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。在硬件電路設(shè)計(jì)中，使用4個(gè)變頻器分別控制4臺電動(dòng)機(jī)，在變頻調(diào)速的過程中，經(jīng)常使用的控制方法包括：大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器;多電機(jī)群拖驅(qū)動(dòng);主從控制。

為了增加系統(tǒng)控制的靈活性，在PLC和異步電動(dòng)機(jī)之間采用主從控制的設(shè)計(jì)方案，變頻器選擇ACS800系列，采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制模式，變頻器和PLC之間采用PROFIBUS通信協(xié)議。ACS800變頻器具有脈沖編碼的功能，可方便地讀取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸送給PLC，PLC對電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，做出控制決策，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。刀盤驅(qū)動(dòng)模塊程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 刀盤驅(qū)動(dòng)模塊程序結(jié)構(gòu)

5 油壓控制策略實(shí)現(xiàn)

在豎井掘進(jìn)機(jī)的工作過程中，掘進(jìn)機(jī)的支撐油缸可靠地支撐在井壁上，掘進(jìn)機(jī)才可以保持姿態(tài)的穩(wěn)定性。井壁出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，油缸的油壓需要保持穩(wěn)定，在油壓控制中，以壓力傳感器的數(shù)值作為輸入量，利用PID控制策略保持油壓的穩(wěn)定，算法簡單，具有很較強(qiáng)的魯棒性[5-6]。控制器使用的比例(P)、積分(I)和微分(D)分別代表現(xiàn)在、過去和未來的信息[7]。PID控制系統(tǒng)的原理如圖6所示，R(t)為給定油壓值，y(t)表示輸出值，e(t)表示控制偏差，u(t)表示控制函數(shù)。

圖6 PID控制原理

6 結(jié)論

為提高豎井掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性，以S7-300系列PLC作為控制核心，設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)。分析了該系統(tǒng)使用的故障預(yù)測的原理，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，以PLC為核心設(shè)計(jì)主、從控制結(jié)構(gòu)，并將主、從機(jī)之間的通信方式選擇為PROFIBUS通信協(xié)議。統(tǒng)計(jì)電氣控制系統(tǒng)中需要的端口數(shù)量，對其端口擴(kuò)展模塊進(jìn)行設(shè)備選型。設(shè)計(jì)電源輸出模塊和姿態(tài)采集模塊，以ACS800系列變頻器作為主要器件設(shè)計(jì)刀盤控制模塊，在油壓控制的策略實(shí)現(xiàn)中，采用PID控制策略，保證不同工況下油缸油壓的穩(wěn)定。