宋 娟，雷聲媛，高 波，于麗麗

(榆林職業(yè)技術學院，陜西 榆林 719000)

掘進機是煤礦開采中非常重要的機械裝備，實踐應用中具有支護要求低、工作效率高、對巷道圍巖的破壞小等眾多優(yōu)勢，使得掘進機在煤礦開采中的應用越來越廣泛[1]。掘進機有很多種形式，煤礦中使用較多的為懸臂式掘進機[2]。隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，很多煤礦開采設備都實現(xiàn)了機械化甚至是自動化，通過對機械設備的自動化控制實現(xiàn)少人甚至無人化操作[3]。通過自動化控制不僅可以提升采煤設備的運行效率，為煤礦開采效率的提升奠定良好的基礎，更重要的是可以將操作人員置于比較安全的位置，降低礦井工作人員的危險程度[4]。所以，礦用掘進機的自動化水平對整個煤礦開采效率、質量、安全方面均有一定程度的影響[5]。PLC控制器以其顯著的優(yōu)勢在工業(yè)領域擁有非常廣泛的應用，已經有部分學者和技術人員將PLC控制器應用到煤礦工程實踐中，并取得了很好的效果，獲得了現(xiàn)場工作人員的一致好評[6]。本文主要以煤礦中使用比較廣泛的EBZ260型掘進機為例，基于PLC控制器設計研究了該型號掘進機的控制平臺，實現(xiàn)設備工作過程的自動化控制。對于提升掘進機的自動化程度、促進采煤效率的提升具有重要的實踐意義。

1 EBZ260型掘進機概述

本文主要以EBZ260型礦用掘進機為研究對象，對其控制平臺進行設計并將其應用到煤礦工程實踐中。該型號掘進機在煤礦中可以對全巖、半煤巖和煤巷進行掘進[7]。最大截割強度可以達到110 MPa，但是對于強度在90 MPa以內的煤巖具有很好的經濟性。對于截面比較復雜的巷道都可以使用該型號掘進機完成，掘進巷道的最大高度和寬度分別為5.2 m和6.3 m，截面面積將近31 m2，巷道的最大坡度可以達到18°。EBZ260型掘進機主要技術參數見表1。

表1 EBZ260型掘進機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of EBZ260 roadheader

掘進機是一個非常復雜的機械系統(tǒng)，包含很多機械結構，最重要的包括截割部分、行走部分、裝運部分以及輸送部分等。只有各個機械構件之間協(xié)調配合才能夠實現(xiàn)掘進機的各項功能，高效率地完成掘進工作。機械結構需要通過自動化控制系統(tǒng)對其進行精準的控制才能夠實現(xiàn)各項動作，進而完成掘進工作。因此，掘進機控制平臺性能的好壞對設備整體性能有非常重要的影響。

2 掘進機控制平臺整體方案設計

在充分分析EBZ260型礦用掘進機整體結構特點的基礎上，設計研究了該型號設備的控制平臺，控制平臺整體方案如圖1所示。方案以PLC控制器為核心，同時輔助使用其他相關的電氣裝置和設施實現(xiàn)EBZ260型掘進機的有效控制。PLC控制器的主要作用是對各種數字信號進行分析，對設備中相關的輔助裝置進行邏輯控制，實現(xiàn)不同機械裝置數據的互相通信，基于以上操作達到對掘進機各部分機械結構進行控制的目的。PLC控制器就是整個控制平臺的核心。由圖1可知，掘進機工作過程中利用各種傳感器，包括溫度、傾角、位移等傳感器，將設備運行狀態(tài)數據進行實時檢測，將上述檢測得到的數據傳輸到PLC控制器中進行處理，同時傳入PLC控制器中的數據還包括各種保護器件產生的數據信號。PLC控制器中的CPU對不同類型的數據進行綜合分析后，形成決策信號，并下達控制指令，實現(xiàn)對各種機械結構、報警裝置、電磁比例調節(jié)閥等的控制，達到掘進機設備安全、高效、可靠運行的目的。

圖1 礦用掘進機控制平臺的整體方案Fig.1 Overall scheme of the control platform of the mine roadheader

3 控制平臺硬件部分設計

3.1 硬件平臺架構設計

基于PLC控制器的控制平臺是整個系統(tǒng)中非常重要的構成部分，目前市場上有很多PLC控制器的型號，并且不同型號都有各自的優(yōu)勢，在工業(yè)領域均有不同程度的應用。結合系統(tǒng)實際的計算以及接口數量需要，選用的是DIGI系列的控制平臺，具體型號為Connect Core 6UL，該型號平臺具有功能豐富、功耗低等眾多優(yōu)勢，在工業(yè)領域具有非常廣泛的應用。平臺使用的是i.MX 6UL應用處理器，具有優(yōu)異的計算能力，完全能夠滿足系統(tǒng)運行的實際需要，可以確保掘進機的高效率運行。

掘進機控制平臺采用的是模塊化設計，不僅可以提升系統(tǒng)平臺設計的便捷性，也便于以后的維護。礦用掘進機控制平臺硬件框架如圖2所示。由圖2可知，系統(tǒng)主要通過不同的模塊構成，其中比較重要的包括RS232、RS485、CAN、以太網等通信模塊，數字量采集模塊，模擬量采集模塊，PWM驅動模塊等。為了防止不同模塊之間的相互干擾，避免外部因素對掘進機控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性造成不良影響，所有模塊都通過隔離措施實現(xiàn)與控制平臺的連接，有效保障了控制平臺運行的穩(wěn)定性。

圖2 掘進機控制平臺硬件框架Fig.2 Hardware framework of roadheader control platform

3.2 主要硬件電路的設計

選用的控制平臺內部已經嵌入了處理器、閃存、內存、安全芯片和其他的無線連接組件等，很多功能已經嵌入到控制平臺中，所以給整個控制系統(tǒng)的設計帶來了很大的便利，只需要對相關硬件的接口電路進行設計即可。

(1)信號采集電路的設計。基于不同傳感器采集，得到的信號可以分為數字量信號和模擬量信號2種類型。對于數字量信號，可以直接傳輸到基于PLC控制器的控制平臺中進行分析和處理；對于模擬量信號，則需要先通過A/D轉換器將模擬量信號轉換成為數字量信號后，才能夠輸入到控制平臺中進行分析。

掘進機工作過程中的急停按鈕、主令電器以及其他各種開關產生的信號通過數字量傳感器進行檢測并傳輸。設計的數字量信號采集電路如圖3所示。為了防止干擾，數字量采集期間，通過光電隔離器將其與CPU進行有效隔離。

圖3 數字量信號采集電路Fig.3 Digital signal acquisition circuit

對于模擬量信號的采集過程，控制平臺使用的A/D轉換器芯片具體型號為MCP3208，該轉換器設置在控制平臺的外圍，可以有效避免模擬量信號與其他電路產生干擾的問題，無需單獨設置隔離電路，降低了整個電路的復雜性。模擬量信號可以進一步分為0～5 V和4～20 mA兩種形式，這2種信號形式同樣需要采用光偶隔離器對其進行隔離，避免不同形式信號之間的相互干擾。MCP3208型A/D轉換器與CPU之間通過SPI實現(xiàn)數據的交互。PWM驅動電路中產生的信號就屬于模擬量信號，需要通過MCP3208對其進行轉換后，才能夠輸入到CPU中進行處理。

(2)通信接口電路的設計。選用的控制平臺CPU共計有8個通信接口，通過這些通信接口可以與其他硬件設施進行數據信息的交互。設計的控制系統(tǒng)共包含有RS232、RS485、工業(yè)以太網、CAN總線通信形式。其中接口2和接口4通過RS232進行通信，接口7用于RS232通信的隔離。RS232通信接口電路如圖4所示。

圖4 RS232通信接口電路Fig.4 RS232 communication interface circuit

接口3用于實現(xiàn)RS485通信，需要通過隔離收發(fā)器將RS485總線線路與其他線路進行隔離，采用的隔離收發(fā)器具體型號為TD301DRS-485H。通過隔離器的作用，可以防止外部高壓信號對該弱電信號產生干擾，確保RS485總線線路通信的穩(wěn)定性。接口5用于實現(xiàn)CAN總線通信，同樣地，需要使用隔離收發(fā)器將CAN總線通信與外部線路進行隔離，避免對其產生干擾，采用的隔離收發(fā)器具體型號為CTM8251AT。接口1和6用于實現(xiàn)工業(yè)以太網通信，使用的隔離收發(fā)器型號與CAN總線相同。剩下的接口作為備用，便于后續(xù)對控制平臺的功能進行拓展。

4 PWM驅動電磁比例調節(jié)閥的實現(xiàn)

4.1 PWM驅動頻率的確定

在掘進機控制平臺中，PWM驅動頻率大小會對機械結構運行的平穩(wěn)性產生非常重要的影響，因此必須準確確定驅動頻率。為了分析了PWM驅動頻率的運行，利用AMESim軟件對掘進機懸臂液壓系統(tǒng)實施了模擬分析[8]，在仿真系統(tǒng)中如實地輸入懸臂系統(tǒng)的實際工作參數。在仿真模型中保持其他所有參數不變的情況下，單獨改變PWM控制信號頻率大小，研究PWM驅動頻率對芯閥位移穩(wěn)定性的影響規(guī)律。PWM頻率不同時芯閥位移的變化曲線如圖5所示，圖5中列出了4種頻率，分別為50、250、400、500 Hz。從圖5中可以看出，當驅動頻率為50 Hz時，芯閥的位移出現(xiàn)了很大幅度的波動，說明在該頻率進行驅動時芯閥會出現(xiàn)過大的振動，不利于機械結構的穩(wěn)定可靠運行，所以PWM驅動頻率不適合設置為50 Hz。當PWM驅動頻率為250 Hz時，芯閥的位移變化幅度顯著降低，效果比50 Hz時要好很多。當驅動頻率進一步升高到400 Hz時，芯閥的位移變化進一步縮小，效果更加顯著。而當PWM驅動頻率升高到500 Hz時，芯閥趨于穩(wěn)定的時間相對較長，并且線圈的電流不再出現(xiàn)脈動的效果，這就要求控制平臺單獨設計對應的顫振發(fā)生器，不僅增加了整個結構的復雜性，且新增加的線圈還會對其他線路產生干擾。

圖5 PWM頻率不同時芯閥位移的變化曲線Fig.5 Variation curve of core valve displacement when PWM frequency is different

基于此，最終確定的PWM驅動頻率為400 Hz。在該頻率作用下，芯閥的位移很快趨于穩(wěn)定，并且有顫振的效果，整體位移變化曲線比較平滑。

4.2 電磁比例調節(jié)閥PID電流反饋

電磁比例調節(jié)閥是控制平臺對掘進機各種機械結構進行控制的重要措施和手段。通過對調節(jié)閥閥門大小的控制，可以實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)中管路流量的控制，進而實現(xiàn)機械結構動作速度和位移的控制。電磁比例調節(jié)閥電流大小可以反映調節(jié)閥門的開啟大小。系統(tǒng)中基于PID控制模式對電磁比例調節(jié)閥中的電流大小進行準確控制，控制過程的基本流程如圖6所示。由圖6可知，控制過程屬于閉環(huán)控制，可以保障控制的穩(wěn)定性和準確性。

圖6 電磁比例調節(jié)閥PID控制流程Fig.6 PID control process of electromagnetic proportional control valve

PID控制模式由比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)同時構成，不同環(huán)節(jié)均有對應的系數，系數的準確確定是確保控制過程穩(wěn)定的基礎。本研究中基于試錯法來確定以上3個系數，即在確保其中2個系數不變的情況下，由小到大逐漸調整第3個系數，確保得到的調節(jié)曲線比較平穩(wěn)，并且反應時間短。最終確定的比例系數、積分系數和微分系數分別為100、10和100。另一方面，考慮到掘進機的工作環(huán)境比較復雜，為了防止周圍環(huán)境對電流反饋信號產生不必要的干擾，從而影響控制平臺的控制精度，控制平臺首先需要利用數字濾波器對電流反饋信號進行濾波處理，將干擾信號剔除，確保電流反饋信號的精確性。

4.3 PWM程序的實現(xiàn)

EBZ260型掘進機整體結構比較笨重，機械結構在啟動階段和停止階段不可避免地都會產生很大的慣性，從而對設備造成非常大的沖擊，輕則影響設備運行的穩(wěn)定性，重則可能對設備造成不可挽回的損壞。所以控制平臺在對機械結構的運動進行控制時必須考慮緩沖問題，該功能主要通過對PWM驅動程度的斜坡控制實現(xiàn)[9]。即在機械結構開始運動和結束運動階段，通過調節(jié)閥門大小控制機械結構以線性比例的方式逐漸增大或者減小速度，確保機械結構的加速度控制在合理范圍以內。PWM程序基于ST語言實現(xiàn)[10]，利用該類型語言時，可以直接在編程平臺中快捷地設置周期和頻率大小、加速和減速的加速度，即斜坡的斜率、最大和最小輸出等。PWM驅動程度的實現(xiàn)流程如圖7所示，圖7中α表示曲線中斜坡的斜率大小，反映機械機構的加速度大小。

圖7 PWM驅動程度的實現(xiàn)流程Fig.7 Realization flow chart of PWM drive degree

5 掘進機控制平臺的應用效果評價

完成EBZ260型礦用掘進機控制平臺的設計工作后，為了驗證控制平臺運行的可行性，將控制平臺應用到煤礦開采工程實踐中，對其各項性能進行了連續(xù)6個月的實踐測試，并對其運行效果進行了系統(tǒng)的分析與評價。結果表明，在整個實踐測試期間，掘進機控制平臺能夠安全、可靠、穩(wěn)定運行，各項功能都可以實現(xiàn)，基本上達到了預期的效果，說明本文的整體設計方案是可行的。

與掘進機原有控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)的集成度明顯提升，整體的控制性能得到了顯著提高，掘進機設備的操作人員數量有了一定程度的降低，降低幅度達到了15%左右，意味著煤礦企業(yè)可以節(jié)省15%的人力成本。與此同時，由于控制平臺的自動化程度顯著提升，使得操作人員的勞動強度大幅度降低，極大地改善了煤礦工作人員的勞動環(huán)境，取得了明顯的社會效益。在行走軌跡控制以及行走偏差控制方面與原系統(tǒng)相比有了大幅度提升，且行走偏差調整時間縮短了30%左右，提升了掘進機運行過程的效率和質量，為煤礦開采效率的提升奠定了堅實的基礎。經過相關專家現(xiàn)場的評估計算，認為用基于本設計的控制平臺對掘進機進行控制，可以使掘進機的運行效率提升25%左右，每年可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造1 000萬元左右的經濟效益。

6 結論

本文以煤礦中使用比較廣泛的EBZ260型懸臂式掘進機為研究對象，對其控制平臺進行了分析與研究，所得結論主要如下。

(1)掘進機控制平臺以PLC控制器為核心，平臺運行時產生的數據信息全部輸入到PLC控制器中，CPU對數據進行綜合分析后做出決策，結合實際情況下達控制指令，對掘進機各部分進行有效控制。

(2)選用的控制平臺型號為Connect Core 6UL，CPU處理器的型號為i.MX 6UL，具有優(yōu)異的性能，完全能夠滿足實際使用需要。對控制平臺中的信號采集電路以及通信接口電路進行了詳細設計。

(3)基于AMESim軟件確定PWM驅動頻率大小為400 Hz，通過PID控制模式對電磁比例調節(jié)閥電流大小進行調節(jié)控制，保障了控制的精度。基于ST語言編寫程序，通過斜坡控制對機械結構在啟動和停止階段的慣性問題進行緩沖。

(4)將設計的掘進機控制平臺應用到煤礦工程實踐中，對其進行實踐測試發(fā)現(xiàn)性能良好，達到了預期效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經濟效益。