PLC下的矿井钻机控制系统设计

摘要：为了适应煤矿装备的智能化、自动化潮流，以某型矿井钻机为研究对象，对矿井钻机主要结构进行分析，基于CAN总线、PLC及PID设计了矿井钻机控制系统，并对控制程序进行研究。结果表明，该系统能较好地实现对矿井钻机自动化和智能化控制，为矿井钻机及其他煤矿装备控制系统设计及智能化升级提供理论依据及技术参考。

关键词：矿井钻机；PLC；控制系统；设计

1矿井钻机的结构组成

矿井钻机主要用于煤矿井下钻探各种角度的煤层放水孔、瓦斯抽排放孔、地质孔、注浆灭火孔、地面钻探地质勘探孔及其他用途的各种工程孔。本文研究的矿井钻机主要为煤矿井下全液压钻机，其主要结构如图1所示。由图1可知，矿井钻机主要由钻具、机架、动力头、机座、操作台、泵站及轨道等部件组成，并包含液压系统及电控系统。液压系统主要由齿轮液压泵、液压马达、防爆电机、节流阀、溢流阀、多路阀、油缸、油箱、压力表、过滤器、冷却器、液压油管、快速接头、液压卡盘、夹持器等主要零部件组成。

2矿井钻机控制系统总体设计

根据矿井钻机结构，设计了矿井钻机控制系统，其结构框图如图2所示。由图2可知，齿轮液压泵的实际压力决定了液压泵驱动电机的最大输出功率，且两者之间的关系基本呈现比例关系，液压泵压力越高，电机输出功率越大。在矿井钻机控制系统中，PLC控制器通过J1939协议和通信规则，读取和获得液压泵驱动电机的实时工作状态，如电机输出功率、扭矩、转速、温度等关键参数，进而对电机转速进行精确控制。液压泵驱动电机带反馈及对应的执行器。控制系统直接与显示屏连通，可以实时地将关键参数可视化地显示出来。矿井钻机控制系统的控制中心还可以读取和处理其他电控检测元件的数据，对其他电控执行元件进行控制，从而实现对矿井钻机的实时精确控制。CAN是ISO国际标准化的串行通信协议。在智能化、自动化设备行业中，对设备的舒适性、安全性、低功耗、方便性、低成本等方面的要求越来越高，多功能、智能化的各种电控系统层出不穷。由于控制的精确化、智能化导致控制线及数据传输线数量非常庞大，为了提高数据传输的安全性及可靠性，CAN总线应运而生。CAN总线具有网络各节点之间的数据通信实时性强且可以自由通信、结构简单、开发周期短、传输距离大、速率高、高性能和可靠性等优良特性，是当今自动化领域发展的技术热点之一，在航空航天、船舶、煤矿、工业自动化、工业设备、医疗设备等方面应用广泛。基于CAN设计的矿井钻机控制器如图3所示。由图3可知，基于CAN总线设计的矿井钻机控制器可以对矿井钻机人机交互显示系统进行重载，同时整个核心控制器PLC可以实现对液压泵驱动电机、液压泵、动力头、各种阀体等关键零部件及系统的关键参数进行精确控制和实时显示。

3矿井钻机控制程序设计

本文矿井钻机控制系统主要采用PID控制，基于PID算法、PLC及CAN总线控制的液压泵驱动电机、液压泵及动力头控制程序分别如图4、图5、图6所示。由图4可知，传感器获得液压泵驱动电机转速和扭矩信息后对电机温度进行检测，如果温度在合理范围内则进行下一步液压油温度和压力检测，如果不合格直接停机检修；检测液压油温度和压力合格则进行下一步PID控制器控制，如果不合格则直接停止电机；PID控制获得合理的液压油温度和压力，则整个过程结束。由图5可知，传感器获得液压泵驱动电机转速和扭矩信息后，通过PID转速、扭矩控制器进行控制，获得合理的液压泵压力则整个过程结束。由图6可知，控制系统读取和处理动力头信息，通过PID电流调节器进行控制，获得合理的输出电流则整个过程结束。

4结语

矿井钻机作为煤矿井下开采和作业的重要装备之一，其性能好坏及智能化的高低直接决定装备的整体性能及煤矿的安全性。以某型煤矿井下全液压钻机为研究对象，基于CAN总线和PLC设计了矿井钻机控制系统，运用PID算法对液压泵驱动电机、液压泵及动力头控制程序进行研究。该系统运行可靠、响应及时，为矿井钻机等装备的智能化、自动化控制提供了重要参考。

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作者：闫毅 陈亮 单位：四川工程职业技术学院