PLC下的礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：為了適應(yīng)煤礦裝備的智能化、自動化潮流，以某型礦井鉆機(jī)為研究對象，對礦井鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，基于CAN總線、plc及PID設(shè)計了礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)，并對控制程序進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)對礦井鉆機(jī)自動化和智能化控制，為礦井鉆機(jī)及其他煤礦裝備控制系統(tǒng)設(shè)計及智能化升級提供理論依據(jù)及技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：礦井鉆機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)；設(shè)計

1礦井鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

礦井鉆機(jī)主要用于煤礦井下鉆探各種角度的煤層放水孔、瓦斯抽排放孔、地質(zhì)孔、注漿滅火孔、地面鉆探地質(zhì)勘探孔及其他用途的各種工程孔。本文研究的礦井鉆機(jī)主要為煤礦井下全液壓鉆機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，礦井鉆機(jī)主要由鉆具、機(jī)架、動力頭、機(jī)座、操作臺、泵站及軌道等部件組成，并包含液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要由齒輪液壓泵、液壓馬達(dá)、防爆電機(jī)、節(jié)流閥、溢流閥、多路閥、油缸、油箱、壓力表、過濾器、冷卻器、液壓油管、快速接頭、液壓卡盤、夾持器等主要零部件組成。

2礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)礦井鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖2可知，齒輪液壓泵的實(shí)際壓力決定了液壓泵驅(qū)動電機(jī)的最大輸出功率，且兩者之間的關(guān)系基本呈現(xiàn)比例關(guān)系，液壓泵壓力越高，電機(jī)輸出功率越大。在礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC控制器通過J1939協(xié)議和通信規(guī)則，讀取和獲得液壓泵驅(qū)動電機(jī)的實(shí)時工作狀態(tài)，如電機(jī)輸出功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制。液壓泵驅(qū)動電機(jī)帶反饋及對應(yīng)的執(zhí)行器?？刂葡到y(tǒng)直接與顯示屏連通，可以實(shí)時地將關(guān)鍵參數(shù)可視化地顯示出來。礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心還可以讀取和處理其他電控檢測元件的數(shù)據(jù)，對其他電控執(zhí)行元件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對礦井鉆機(jī)的實(shí)時精確控制。CAN是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在智能化、自動化設(shè)備行業(yè)中，對設(shè)備的舒適性、安全性、低功耗、方便性、低成本等方面的要求越來越高，多功能、智能化的各種電控系統(tǒng)層出不窮。由于控制的精確化、智能化導(dǎo)致控制線及數(shù)據(jù)傳輸線數(shù)量非常龐大，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩约翱煽啃裕珻AN總線應(yīng)運(yùn)而生。CAN總線具有網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng)且可以自由通信、結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、傳輸距離大、速率高、高性能和可靠性等優(yōu)良特性，是當(dāng)今自動化領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)熱點(diǎn)之一，在航空航天、船舶、煤礦、工業(yè)自動化、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等方面應(yīng)用廣泛。基于CAN設(shè)計的礦井鉆機(jī)控制器如圖3所示。由圖3可知，基于CAN總線設(shè)計的礦井鉆機(jī)控制器可以對礦井鉆機(jī)人機(jī)交互顯示系統(tǒng)進(jìn)行重載，同時整個核心控制器PLC可以實(shí)現(xiàn)對液壓泵驅(qū)動電機(jī)、液壓泵、動力頭、各種閥體等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確控制和實(shí)時顯示。

3礦井鉆機(jī)控制程序設(shè)計

本文礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要采用PID控制，基于PID算法、PLC及CAN總線控制的液壓泵驅(qū)動電機(jī)、液壓泵及動力頭控制程序分別如圖4、圖5、圖6所示。由圖4可知，傳感器獲得液壓泵驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩信息后對電機(jī)溫度進(jìn)行檢測，如果溫度在合理范圍內(nèi)則進(jìn)行下一步液壓油溫度和壓力檢測，如果不合格直接停機(jī)檢修；檢測液壓油溫度和壓力合格則進(jìn)行下一步PID控制器控制，如果不合格則直接停止電機(jī)；PID控制獲得合理的液壓油溫度和壓力，則整個過程結(jié)束。由圖5可知，傳感器獲得液壓泵驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩信息后，通過PID轉(zhuǎn)速、扭矩控制器進(jìn)行控制，獲得合理的液壓泵壓力則整個過程結(jié)束。由圖6可知，控制系統(tǒng)讀取和處理動力頭信息，通過PID電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，獲得合理的輸出電流則整個過程結(jié)束。

4結(jié)語

礦井鉆機(jī)作為煤礦井下開采和作業(yè)的重要裝備之一，其性能好壞及智能化的高低直接決定裝備的整體性能及煤礦的安全性。以某型煤礦井下全液壓鉆機(jī)為研究對象，基于CAN總線和PLC設(shè)計了礦井鉆機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用PID算法對液壓泵驅(qū)動電機(jī)、液壓泵及動力頭控制程序進(jìn)行研究。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、響應(yīng)及時，為礦井鉆機(jī)等裝備的智能化、自動化控制提供了重要參考。

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作者：閆毅 陳亮 單位：四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院