唐耀偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037016）

引言

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)圍巖的破壞度小，能較大程度保證掘進(jìn)安全，對(duì)煤礦井下開采以及巷道成型具有重要作用，是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵大型設(shè)備。近年來(lái)隨著智慧礦山概念的提出，機(jī)械替換人的理念逐步影響掘進(jìn)工作，掘進(jìn)機(jī)的智能程度成為衡量煤礦智能化生產(chǎn)的因素之一。智能化控制平臺(tái)是掘進(jìn)機(jī)無(wú)人化改進(jìn)的核心，但由于井下環(huán)境復(fù)雜，對(duì)控制平臺(tái)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(duì)操作和維護(hù)以及電器件的抗振都不利，而控制平臺(tái)各控制件和受控件的通信標(biāo)準(zhǔn)不同，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，這給井下掘進(jìn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)困難，基于此本文對(duì)嵌入式軟PLC 控制平臺(tái)進(jìn)行研究，保證PLC 控制標(biāo)準(zhǔn)化和邏輯性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和跨平臺(tái)性，保證井下掘進(jìn)控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

1 嵌入式軟PLC 控制平臺(tái)原理

傳統(tǒng)PLC 的功能實(shí)現(xiàn)依托的是ASIC 芯片的加持，通過(guò)接收數(shù)據(jù)與發(fā)送指令的控制邏輯實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)接收、編譯與控制信號(hào)輸出等，嵌入式軟PLC 的指令集存儲(chǔ)于CPU 或MCU，通過(guò)一定的數(shù)據(jù)掃描周期，通過(guò)輸入輸出系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC 功能。相較于傳統(tǒng)PLC，嵌入式軟PLC 的開放程度更高，擴(kuò)展性更強(qiáng)，系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)不受PLC 廠家控制。嵌入式軟PLC 控制系統(tǒng)的架構(gòu)體系如圖1 所示，架構(gòu)分為三層，分別是開發(fā)層、通信層和設(shè)備層，開發(fā)層作為基礎(chǔ)，能夠支持多種編輯語(yǔ)言和通訊標(biāo)準(zhǔn)，主要實(shí)現(xiàn)程序的編寫；通訊層主要實(shí)現(xiàn)開發(fā)層和設(shè)備層的連接，設(shè)計(jì)通信層以網(wǎng)關(guān)服務(wù)器為主，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)CPU 控制器，保證通信效率；設(shè)備層需要在操作硬件設(shè)備前預(yù)先安裝實(shí)時(shí)核系統(tǒng)，開發(fā)層編寫完成的程序可通過(guò)通信層直接下載到操作設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)核系統(tǒng)將程序轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼儲(chǔ)存，按照系統(tǒng)設(shè)定的方式運(yùn)行程序。嵌入式軟PLC 控制模式開發(fā)層是在上位機(jī)運(yùn)行，控制程序是在硬件控制平臺(tái)[1-3]。

圖1 嵌入式PLC 控制系統(tǒng)原理圖

2 基于軟PLC 的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示，掘進(jìn)機(jī)上安裝的油溫、油位、油壓傳感器采集的模擬量信號(hào)和急停、操作、控制回路漏電閉鎖保護(hù)、瓦斯閉鎖、繼電器反饋等開關(guān)量信號(hào)輸入到嵌入式軟PLC 控制器進(jìn)行處理，根據(jù)控制器邏輯形成的決策信號(hào)輸出到各受控單元，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)電機(jī)、懸臂、行走、照明、報(bào)警以及磁比例多路換向閥的動(dòng)作以及控制邏輯的完成。控制平臺(tái)與各受控元件的通信采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，自動(dòng)化控制涉及的控制策略和智能算法模塊在開發(fā)系統(tǒng)中開發(fā)，并被IEC 應(yīng)用程序調(diào)用。

圖2 基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)控制平臺(tái)的硬件以CCWi-i.MX6UL 為核心，該處理器集成了DDR3 儲(chǔ)存器，WLAN、藍(lán)牙、USB 等通信方式以及電源管理等功能，對(duì)接平臺(tái)的其他硬件，包括數(shù)字量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN 總線模塊、數(shù)字量驅(qū)動(dòng)模塊、以太網(wǎng)模塊、RS485 模塊、RS232 模塊等，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)上PWM驅(qū)動(dòng)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(jiān)測(cè)模塊?？紤]到平臺(tái)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(jìn)行了信號(hào)隔離設(shè)計(jì)，提升掘進(jìn)控制平臺(tái)的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性[4-6]。硬件平臺(tái)架構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 軟件平臺(tái)分層設(shè)計(jì)

與上文提到的嵌入式軟PLC 控制原理相似，掘進(jìn)控制平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)也采用分層設(shè)計(jì)技術(shù)，以嵌入式驅(qū)動(dòng)以及操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)平臺(tái)控制器進(jìn)行重新軟件分層設(shè)計(jì)，旨在配合掘進(jìn)機(jī)控制方式和控制需求，保證控制的相應(yīng)速度和控制安全。

軟件平臺(tái)分層架構(gòu)圖如圖4 所示，分為開發(fā)層、應(yīng)用層、平臺(tái)層和系統(tǒng)層四個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)層選取Linux為操作系統(tǒng)平臺(tái)，Linux 操作系統(tǒng)為通用系統(tǒng)，兼容性強(qiáng)，但在實(shí)時(shí)響應(yīng)方面存在一定弊端，為此本文采用整體內(nèi)核架構(gòu)中搶占式補(bǔ)丁方式提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，滿足平臺(tái)層、應(yīng)用層和開放層的調(diào)用需求。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與掘進(jìn)機(jī)控制機(jī)構(gòu)的對(duì)接，可以根據(jù)控制需求對(duì)不同函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，調(diào)用開發(fā)層開發(fā)的各類數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序。

圖4 基于嵌入式軟PLC 的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 運(yùn)行效果分析

掘進(jìn)機(jī)上使用的比例多路換向閥具有多負(fù)載聯(lián)動(dòng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)流量的穩(wěn)定控制，降低設(shè)備功耗，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制和復(fù)合聯(lián)動(dòng)控制具有重要作用。掘進(jìn)機(jī)依托比例電磁閥來(lái)控制比例多路換向閥，完成電信號(hào)到機(jī)械動(dòng)作的轉(zhuǎn)化，比例電磁閥通過(guò)內(nèi)部電磁鐵圈的通電和斷電實(shí)現(xiàn)電磁閥的開閉，電流穩(wěn)定是保證電磁閥動(dòng)作的關(guān)鍵因素。為了驗(yàn)證控制平臺(tái)對(duì)電磁閥流經(jīng)電流的控制效果，選擇電流PID 反饋進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)在控制平臺(tái)中對(duì)比引入PID 反饋和不引入兩種工況，監(jiān)測(cè)在空占比下輸出PWM 信號(hào)的等效電流來(lái)表征控制效果，監(jiān)測(cè)時(shí)間選擇100 min，監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制成圖5。

圖5 線圈回路電流變化曲線圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(nèi)穩(wěn)定在低值，穩(wěn)定值與設(shè)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(yàn)周期內(nèi)波動(dòng)在設(shè)定值上下，且波動(dòng)范圍很小，保證了設(shè)定電流控制的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)電流PID 反饋測(cè)試試驗(yàn)可以得出，設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)PID 功能良好，能夠?qū)崟r(shí)保證比例多路換向閥的控制靈敏度和精度。

4 結(jié)論

本文采用分層控制原理進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)嵌入式軟PLC 控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)，分析了控制平臺(tái)的硬件和軟件框架，為了驗(yàn)證控制平臺(tái)效果，選用電流PID 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)監(jiān)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(guò)本文研究形成以下結(jié)論：

1）掘進(jìn)控制平臺(tái)的硬件以CCWi-i.MX6UL 為核心，并包括數(shù)字量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN總線模塊、數(shù)字量驅(qū)動(dòng)模塊、以太網(wǎng)模塊、RS485 模塊、RS232 模塊等，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)上PWM驅(qū)動(dòng)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(jiān)測(cè)模塊。

2）掘進(jìn)控制平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)原理，以嵌入式驅(qū)動(dòng)以及操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，軟件平臺(tái)分層架構(gòu)分為開發(fā)層、應(yīng)用層、平臺(tái)層和系統(tǒng)層四個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)層選取Linux 為操作系統(tǒng)平臺(tái)，Linux 操作系統(tǒng)為通用系統(tǒng)，兼容性強(qiáng)。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與掘進(jìn)機(jī)控制機(jī)構(gòu)的對(duì)接，根據(jù)控制需求調(diào)用開發(fā)層開發(fā)的各類數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序。

3）通過(guò)在控制平臺(tái)中對(duì)比引入和不引入PID 反饋兩種工況，監(jiān)測(cè)在占空比下輸出PWM 信號(hào)的等效電流來(lái)表征控制效果，試驗(yàn)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(yàn)周期內(nèi)波動(dòng)在設(shè)定值上下，且波動(dòng)范圍很小，保證了設(shè)定電流控制的穩(wěn)定。