李鵬宇

（山西大同永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

引言

掘進機作為快速高效的大型機械設(shè)備，在作業(yè)時應(yīng)對其實施精準(zhǔn)控制，才能確保掘進機在合適的地點做出正確的作業(yè)動作[1]。在現(xiàn)代化、智能化發(fā)展的背景下，掘進機的自動化水平還有待進一步提高，尤其是控制平臺的自動化水平在實際工程作業(yè)中存在一定的缺陷，導(dǎo)致在掘進速度和決定質(zhì)量方面存在問題。因為掘進機的控制平臺通常是由通用型PLC 進行核心控制，在選用PLC型號時未充分考慮礦井的特殊應(yīng)用環(huán)境。掘進機會根據(jù)后期使用情況，不斷地拓展模塊功能，在普通的PLC 模塊中開展后期拓展將帶來較高的成本，不利于控制平臺的經(jīng)濟性。在綜采工作面機械設(shè)備智能化技術(shù)發(fā)展的背景下，應(yīng)提升掘進機控制平臺的智能化程度，實現(xiàn)一體化集中式平臺發(fā)展[2]。以嵌入式系統(tǒng)研究作為切入點，實現(xiàn)掘進機控制平臺的低成本、跨平臺性的關(guān)鍵特性。以軟PLC的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計思路，結(jié)合Linux 開放式的操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)掘進機控制平臺的拓展功能高度集成。在自動化智能化方面相比于原有控制平臺將有較大的提升，研究成果為掘進企業(yè)智能化發(fā)展研究提供了借鑒思路。

1 控制平臺總體方案

1.1 控制系統(tǒng)分解

以煤礦企業(yè)常用的四回路掘進機作為研究對象，在其原有整體系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出可拓展性概念。通過嵌入式PLC 控制核心部件，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計，不僅針對于底層硬件、軟件，也將實現(xiàn)通信驅(qū)動的全方位重新設(shè)計。

四回路掘進機主要通過饋電開關(guān)、隔爆本質(zhì)安全型電氣箱、隔爆電磁閥、聲光報警系統(tǒng)、隔爆緊急按鈕等零部件組成[3]。通過傳感器將各類部件形成統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)遠程無線遙控?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動液壓系統(tǒng)，使得掘進機能夠按照命令指示開展相應(yīng)的作業(yè)動作。在掘進機控制平臺中，電氣控制箱是最為關(guān)鍵的部分。四回路懸臂式掘進機作為研究對象，其機體分解示意圖如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進機機體組成示意圖

1.2 控制回路分析

掘進機整體的電氣系統(tǒng)主要由回路、電源、控制箱、控制平臺和遙控裝置組成。各個部件之間通過電纜接線，結(jié)合各類隔離開關(guān)核電流變送器實現(xiàn)掘進機電機的運轉(zhuǎn)。為確保本質(zhì)安全，當(dāng)隔離開關(guān)合閘時，才能使得控制平臺的控制箱產(chǎn)生電流、電壓信號。通常電壓信號為4～20 mA 信號，由控制平臺的AI 接口接收[4]。控制平臺作為控制系統(tǒng)的核心部分，在信號控制、搜集、決策通訊等方面有一體化功能，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境有較強的適應(yīng)性，并且安全可靠。四回路掘進機控制系統(tǒng)如下頁圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

1.3 整體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)目前掘進機控制系統(tǒng)的缺陷，采用嵌入式軟PLC 系統(tǒng)控制元件。采用的軟件代碼是基于Linux系統(tǒng)下的c 語言編程，實現(xiàn)了硬件驅(qū)動軟件，對各個硬件設(shè)備相互連接。軟PLC的上層軟件開發(fā)將提供I/O 接口以及驅(qū)動維護程序[5]。此時，軟PLC 控制器將實現(xiàn)整個掘進機電氣系統(tǒng)的控制。

在完成上層軟硬件設(shè)計后，將配合智能傳感器、繼電器等信號輸入接收模塊，在信號數(shù)據(jù)輸入后，將在PLC 中心形成決策信號。控制平臺的信號輸出將對電磁閥、操作箱等變送器實現(xiàn)操作，并將數(shù)據(jù)顯示到工具顯示屏以實現(xiàn)人機交互。四回路掘進機控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計示意圖，如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2 控制平臺硬件設(shè)計

掘進機硬件系統(tǒng)基于Cortex A7 架構(gòu)的處理器進行開發(fā)，同時配備DDR3 內(nèi)存、安全芯片等關(guān)鍵核心零部件。數(shù)字量與模擬量的采集需要PWM 進行驅(qū)動，同時各個硬件的選型應(yīng)具備隔爆屬性。在此基礎(chǔ)上，控制平臺的硬件應(yīng)滿足國家安全標(biāo)準(zhǔn)，例如GB3836 系列標(biāo)準(zhǔn)。

信號采集電路應(yīng)使用光電隔離器進行隔離，數(shù)據(jù)量接口應(yīng)滿足主要信息開關(guān)量的存儲空間。尤其針對于模擬量信息的采集應(yīng)使用MCP3208的A/D轉(zhuǎn)換芯片，因為該芯片的通訊接口的可兼容性更強同時可利用光有隔離器不間斷地實現(xiàn)接口限壓保護[6]。

完成采集電路設(shè)計后，將對總線電路進行設(shè)計。總線電路要求配備8 個平行通訊串行接口，采用隔離CAN 模塊實現(xiàn)總線的差分電平，使得總線電路具有隔離功能。隔離CAN 總線電路如圖4 所示。

圖4 隔離CAN 總線電路示意圖

為了控制平臺具有放大和校正功能，在對信號處理時應(yīng)采用常規(guī)的PWM 驅(qū)動方式，實現(xiàn)功率和電流的放大。PWM驅(qū)動同樣要求采取電氣隔離，并且配合換向閥避免顫振電路的引入。由于電路使用的是精密采樣電阻，需要及時地獲取電路反饋回的控制器信號。在掘進機驅(qū)動機平臺上以串聯(lián)的方式在線圈回路上實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，使得軟PLC的控制平臺能夠精準(zhǔn)地判斷和分析。PWM驅(qū)動電路如圖5 所示。

圖5 PWM 驅(qū)動電路示意圖

3 控制平臺軟件系統(tǒng)設(shè)計

由于Linux 系統(tǒng)具有可移之性和良好的拓展性，將其作為控制平臺的下層軟件系統(tǒng)。以C/C++工具作為開發(fā)軟件，實現(xiàn)嵌入式的開發(fā)環(huán)境，如圖6 所示。

圖6 嵌入式Linux 開發(fā)環(huán)境示意圖

由于新設(shè)計的系統(tǒng)采用的是軟邏輯思維，后臺控制器為硬件平臺。當(dāng)前端軟件要實現(xiàn)功能時，需對軟件進行封裝?；谇度胧降目刂破鲗崿F(xiàn)在軟PLC的硬件環(huán)境下，對掘進機控制平臺的驅(qū)動控制，如下頁圖7 所示。

由下頁圖8 和下頁圖9 可知，在控制平臺PWM驅(qū)動下，控制平臺的比例多路換向閥的電控比例特性曲線正常，其中比例電磁鐵電流-力特性曲線占空比小于20%時，流量和閥芯行程均為零，比例多路換向閥沒有輸出，當(dāng)繼續(xù)增大占空比時，流量和閥芯行程隨占空比變化的線性度較好，回程時存在滯回現(xiàn)象，與自帶的PWM驅(qū)動接口驅(qū)動得到的曲線形態(tài)相同，控制平臺實現(xiàn)了其PWM 驅(qū)動電磁比例多路換向閥的功能。

圖8 流量隨PWM 占空比變化曲線

圖9 閥芯行程隨PWM 占空比變化曲線

控制平臺接收到輸入信號后，到輸出控制信號所需的時間為響應(yīng)時間，后臺工控機自動為每個任務(wù)配置一個任務(wù)監(jiān)視器，在任務(wù)處在在線模式后，任務(wù)監(jiān)視器可以對任務(wù)的執(zhí)行相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)控。為測試控制核心控制精度和響應(yīng)速度，對控制平臺控制比例多路換向閥的控制任務(wù)進行監(jiān)視，在執(zhí)行的驅(qū)動比例閥任務(wù)的最大執(zhí)行時間為198μs，響應(yīng)時間符合掘進機工作環(huán)境要求。

4 結(jié)語

目前，礦井掘進機的控制平臺在自動化和智能化方面還有提升空間。根據(jù)現(xiàn)有掘進機控制系統(tǒng)的控制平臺，結(jié)合實際工況設(shè)計出以軟PLC 驅(qū)動的控制平臺系統(tǒng)。在后期實驗中，證明了控制平臺的電流反饋控制在安全范圍內(nèi)，相比于原有的響應(yīng)時間有較大的提高。研究成果為掘進機裝備的自動化水平提升奠定的基礎(chǔ)。