论文部分内容阅读
摘 要：文章基于PLC程序，结合挖掘机特性和功能，通过MP277上位机采集、实时显示报警和故障代码，实现了挖掘机性能的优化和升级。经过现场调试验证，获得了良好的运行效果，能够满足挖掘机各种工况控制的要求。
关键词：PLC；挖掘机；特性；功能
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）32-0023-02
电动挖掘机在露天采矿、基建施工等领域获得了广泛的应用[1]，随着太重WK系列大型矿用挖掘机电控系统的不断创新、电机控制技术的不断改进优化，对于电气服务工程师的技术水平也提出了新的、更高的要求，尤其是现场实际操作能力。近年来，面对复杂多变的外部环境和日益加剧的竞争格局，公司日益感觉到设备的稳定性和完好性对矿山企业生存发展的重要性。为了提高公司的运行质量和服务管理水平，对挖掘机的部分功能加以了优化和改进。
1 大型矿用挖掘机介绍
大型矿用挖掘设备是现代化露天煤矿的主力军，从20世纪60年代使用的4立方挖掘机开始，随着露天矿产能的不断扩大，逐步引进了12立方、20立方、35立方和55立方挖掘机，电气控制系统由原来的直流控制系统升级为现在的交流变频调速系统。挖掘机在露天矿山工作过程中主要有五大机构，有提升、推压、走行、回转、开斗机构，司机室内操作人员通过主令等控件，把信号传递到变频器，由电机带动机械齿轮箱来实现物料的挖掘和装载。
以WK-35挖掘机为例，电铲铲斗机构是正铲，通过铲斗提梁和阻尼机构固定在斗杆上。斗杆上焊装有齿条，并放置于推压小齿轮上，通过鞍座固定，齿轮-齿条推压来实现铲斗的伸出和收回。提升功能是通过提升卷筒的旋转缠绕提升钢丝绳带动铲斗的上下运动来实现。提升和推压两个动作的相互配合，就实现了物料的挖掘。当物料装满后，需要装入运输车，挖掘机通过回转小齿轮在回转大齿圈上来回地咬合运动来完成。与此同时还需要开斗机构的配合，挖掘机通过开斗电机缠绕开斗钢丝绳拉动开斗销，铲斗底板打开，物料实现装车完成。由于大型挖掘机的整体重量很大，走行机构都采用履带式来增加对地的比压，保持设备的平稳。
2 大型矿用挖掘机的控制特性
2.1 挖掘机电气控制系统
矿用挖掘机的交流变频调速系统为“MP277工控机+PLC+DP通讯+变频传动”组成的四级控制系统[2]。如图1所示，MP277工控机应能监控和实时显示整台挖掘机工作中的状态及故障信息，实现运行状态动态画面的模拟显示与故障的自我诊断；PLC通过PROFIBUS DP总线与AFE控制单元，提升、推压、走行、回转四个机构的逆变器、司机室操作台和主令的控制等连接，实现逐级分层控制；通过AFE控制单元整流为直流，公用直流母线又与各机构逆变器相连，通过电流和速度双闭环控制系统，成功的实现对各机构电机力矩、电流与速度的准确控制。
2.2 挖掘机各机构控制形式
行走机构两台电机为分别独立驱动，右行走电机有一台逆变器驱动，左行走电机有一台逆变器驱动。这样分别控制能够实现挖掘机走行电机的独立运行，电机可以保持一个正转，一个反转，实现了挖掘机的原地挑头，有效的减少了挖掘机在转弯时的机械摩擦给设备带来的损害。挖掘机回转机构由一台逆变器带动两台电机，两台电机轴承连接回转小齿轮，通过在回转大齿圈上来回地耦合运动来实现。同一逆变器的输出，两台电机的电源保证来自同一个出点，这样两台电机的力矩（或速度）也基本保持一致，很好的保证了两个电机的协同作业。回转机构的机械特性属于大惯量运动载体，在正常工作下一个工作循环仅作0 °～80 °、100 °～0 °的正反往返旋转。回转控制采用速度限幅、转矩控制方式，即控制器给定是转矩给定，给定大小决定了起制动时电机输出转矩的大小、启制动的快慢。往返旋转期间由于大惯量不能立即停车，需在主令给定的加减速时间内打反车制动，有效的避免了机械冲击。提升机构两台电动机分别通过联轴节来你姐在一台减速机的一根轴上，两台电机的转速完全一致。由于采用两台逆变器共同驱动两台电机，中间有电机耦合控制箱。有效的保证两台电机做功相等，在两台逆变器之间采用“一拖二”控制技术，由于提升机构的特殊性，在装车过程中需要精准的定位，故采取了速度控制。推压机构变频电机采用速度闭环矢量控制，为提高挖掘时的切削力，推压电动机在0～80%的速度范围内均能输出最大力矩，这就保证了铲斗在80%速度范围，其切削力基本不变。
2.3 挖掘机的试车以及特性
挖掘机在挖掘过程中，提升、推压时通过DP通行来对话的，当遇到物料粘性较大时，有时提升提不动，有时推压收不回。此时通过电流和转矩双闭环反馈信号分析，两个机构的变频器都达到了预设的上限值，此时变频器会自动调整，提升和推压逆变器将在低速运行，将铲斗拖出，解决了司机遇到的问题。也有可能在铲斗被黏住以后，司机可能会将回转机构误操作，当逆变器检测到电流都为90%以上时，自动告知回转逆变器的输出为0，有效的避免了误操作回转时将铲斗斗杆损坏的可能。
也有可能挖掘机在挖掘过程中，遇到大块或根底时，提升和推压机构经常会造成堵转，这时电机既要维持出力又要保证不烧损，这就要求对挖掘机机械特性[3-4]有全面的了解，如图2所示。当电枢电流到达堵转电流Id后，此时堵转保护计时，超过设定时间后，提升报警[5]。
3 目前挖掘机使用过程中的问题
当挖掘机提升抱闸关闭时，电磁阀不通电，如果气压检测和抱闸打开限位中任意一个满足条件则会报抱闸故障。抱闸打开时，电磁阀通电，如果气压检测和抱闸打开限位中任意一个不满足条件则会报抱闸故障。这样就存在一个问题，当抱闸处于打开状态时，即使抱闸限位在打开位置，只要气压检测存在问题就会报故障。或者抱闸限位存在问题，即使气压达到要求也会报出故障。而实际使用中两者同时存在故障的几率是很低的，而这样的程序设置就会给设备带来更多的停机时间。如果故障发生在回转机构上，则可能会带来安全隐患。
4 系统PLC软件设计
修改后部分程序后，将两点常闭点改为串联，抱闸关闭状态下逻辑同之前。抱闸打开时，如果气压检测[1]和抱闸打开限位同时存在问题才会报故障。但这样做也会带来一个问题，假设限位监测失效，只存在气压检测工作，但气压设置不合适或者压力传感器已坏，则抱闸的保护措施不存在，对抱闸和电机装置以及安全是非常不利的。所以修改后需要现场人员经常检查打开抱闸以测试抱闸限位以及气压监测的工作是否正常，这是非常必要的。于是另外在触摸屏增加抱闸监测页面，以监测抱闸打开时各个信号点是否处于正常状态，如果某一点存在问题可以一目了然的了解到情况并及时处理，保证电铲工作在正常状态。PLC设计升级图如图3所示，修改后触摸屏主画面如图4所示。
5 结 论
针对该系统的控制软件部分，通过修改PLC和触摸屏程序后逻辑为抱闸打开情况下，气压监测和机械限位同时传回动作信号才会报故障，增加了信号的容错率，提高了电铲的稳定性，基本上杜绝了因抱闸限位或抱闸压力传感器信号问题而引起的故障时间。同时以报警和计数的方式显示在触摸屏上。一方面会发出声光报警，同时触摸屏会出现报文提醒司机查看故障，存在问题一目了然，有力的保证了挖掘机的正常状态。
参考文献：
[1] 宋黎明，杨前明，谢计业，等.电感式位移传感器输出特性仿真分析[J].
机电工程，2012，（7）.
[2] 陈理壁.步进电机及其应用[M].北京：科学技术出版社，1989.
[3] 徐丽，张文海，李晓岚.用Excel电子表格计算力矩电机-电流特性线 性度[J].微特电机，2012，（10）.
[4] 张晓波.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2011.
关键词：PLC；挖掘机；特性；功能
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）32-0023-02
电动挖掘机在露天采矿、基建施工等领域获得了广泛的应用[1]，随着太重WK系列大型矿用挖掘机电控系统的不断创新、电机控制技术的不断改进优化，对于电气服务工程师的技术水平也提出了新的、更高的要求，尤其是现场实际操作能力。近年来，面对复杂多变的外部环境和日益加剧的竞争格局，公司日益感觉到设备的稳定性和完好性对矿山企业生存发展的重要性。为了提高公司的运行质量和服务管理水平，对挖掘机的部分功能加以了优化和改进。
1 大型矿用挖掘机介绍
大型矿用挖掘设备是现代化露天煤矿的主力军，从20世纪60年代使用的4立方挖掘机开始，随着露天矿产能的不断扩大，逐步引进了12立方、20立方、35立方和55立方挖掘机，电气控制系统由原来的直流控制系统升级为现在的交流变频调速系统。挖掘机在露天矿山工作过程中主要有五大机构，有提升、推压、走行、回转、开斗机构，司机室内操作人员通过主令等控件，把信号传递到变频器，由电机带动机械齿轮箱来实现物料的挖掘和装载。
以WK-35挖掘机为例，电铲铲斗机构是正铲，通过铲斗提梁和阻尼机构固定在斗杆上。斗杆上焊装有齿条，并放置于推压小齿轮上，通过鞍座固定，齿轮-齿条推压来实现铲斗的伸出和收回。提升功能是通过提升卷筒的旋转缠绕提升钢丝绳带动铲斗的上下运动来实现。提升和推压两个动作的相互配合，就实现了物料的挖掘。当物料装满后，需要装入运输车，挖掘机通过回转小齿轮在回转大齿圈上来回地咬合运动来完成。与此同时还需要开斗机构的配合，挖掘机通过开斗电机缠绕开斗钢丝绳拉动开斗销，铲斗底板打开，物料实现装车完成。由于大型挖掘机的整体重量很大，走行机构都采用履带式来增加对地的比压，保持设备的平稳。
2 大型矿用挖掘机的控制特性
2.1 挖掘机电气控制系统
矿用挖掘机的交流变频调速系统为“MP277工控机+PLC+DP通讯+变频传动”组成的四级控制系统[2]。如图1所示，MP277工控机应能监控和实时显示整台挖掘机工作中的状态及故障信息，实现运行状态动态画面的模拟显示与故障的自我诊断；PLC通过PROFIBUS DP总线与AFE控制单元，提升、推压、走行、回转四个机构的逆变器、司机室操作台和主令的控制等连接，实现逐级分层控制；通过AFE控制单元整流为直流，公用直流母线又与各机构逆变器相连，通过电流和速度双闭环控制系统，成功的实现对各机构电机力矩、电流与速度的准确控制。
2.2 挖掘机各机构控制形式
行走机构两台电机为分别独立驱动，右行走电机有一台逆变器驱动，左行走电机有一台逆变器驱动。这样分别控制能够实现挖掘机走行电机的独立运行，电机可以保持一个正转，一个反转，实现了挖掘机的原地挑头，有效的减少了挖掘机在转弯时的机械摩擦给设备带来的损害。挖掘机回转机构由一台逆变器带动两台电机，两台电机轴承连接回转小齿轮，通过在回转大齿圈上来回地耦合运动来实现。同一逆变器的输出，两台电机的电源保证来自同一个出点，这样两台电机的力矩（或速度）也基本保持一致，很好的保证了两个电机的协同作业。回转机构的机械特性属于大惯量运动载体，在正常工作下一个工作循环仅作0 °～80 °、100 °～0 °的正反往返旋转。回转控制采用速度限幅、转矩控制方式，即控制器给定是转矩给定，给定大小决定了起制动时电机输出转矩的大小、启制动的快慢。往返旋转期间由于大惯量不能立即停车，需在主令给定的加减速时间内打反车制动，有效的避免了机械冲击。提升机构两台电动机分别通过联轴节来你姐在一台减速机的一根轴上，两台电机的转速完全一致。由于采用两台逆变器共同驱动两台电机，中间有电机耦合控制箱。有效的保证两台电机做功相等，在两台逆变器之间采用“一拖二”控制技术，由于提升机构的特殊性，在装车过程中需要精准的定位，故采取了速度控制。推压机构变频电机采用速度闭环矢量控制，为提高挖掘时的切削力，推压电动机在0～80%的速度范围内均能输出最大力矩，这就保证了铲斗在80%速度范围，其切削力基本不变。
2.3 挖掘机的试车以及特性
挖掘机在挖掘过程中，提升、推压时通过DP通行来对话的，当遇到物料粘性较大时，有时提升提不动，有时推压收不回。此时通过电流和转矩双闭环反馈信号分析，两个机构的变频器都达到了预设的上限值，此时变频器会自动调整，提升和推压逆变器将在低速运行，将铲斗拖出，解决了司机遇到的问题。也有可能在铲斗被黏住以后，司机可能会将回转机构误操作，当逆变器检测到电流都为90%以上时，自动告知回转逆变器的输出为0，有效的避免了误操作回转时将铲斗斗杆损坏的可能。
也有可能挖掘机在挖掘过程中，遇到大块或根底时，提升和推压机构经常会造成堵转，这时电机既要维持出力又要保证不烧损，这就要求对挖掘机机械特性[3-4]有全面的了解，如图2所示。当电枢电流到达堵转电流Id后，此时堵转保护计时，超过设定时间后，提升报警[5]。
3 目前挖掘机使用过程中的问题
当挖掘机提升抱闸关闭时，电磁阀不通电，如果气压检测和抱闸打开限位中任意一个满足条件则会报抱闸故障。抱闸打开时，电磁阀通电，如果气压检测和抱闸打开限位中任意一个不满足条件则会报抱闸故障。这样就存在一个问题，当抱闸处于打开状态时，即使抱闸限位在打开位置，只要气压检测存在问题就会报故障。或者抱闸限位存在问题，即使气压达到要求也会报出故障。而实际使用中两者同时存在故障的几率是很低的，而这样的程序设置就会给设备带来更多的停机时间。如果故障发生在回转机构上，则可能会带来安全隐患。
4 系统PLC软件设计
修改后部分程序后，将两点常闭点改为串联，抱闸关闭状态下逻辑同之前。抱闸打开时，如果气压检测[1]和抱闸打开限位同时存在问题才会报故障。但这样做也会带来一个问题，假设限位监测失效，只存在气压检测工作，但气压设置不合适或者压力传感器已坏，则抱闸的保护措施不存在，对抱闸和电机装置以及安全是非常不利的。所以修改后需要现场人员经常检查打开抱闸以测试抱闸限位以及气压监测的工作是否正常，这是非常必要的。于是另外在触摸屏增加抱闸监测页面，以监测抱闸打开时各个信号点是否处于正常状态，如果某一点存在问题可以一目了然的了解到情况并及时处理，保证电铲工作在正常状态。PLC设计升级图如图3所示，修改后触摸屏主画面如图4所示。
5 结 论
针对该系统的控制软件部分，通过修改PLC和触摸屏程序后逻辑为抱闸打开情况下，气压监测和机械限位同时传回动作信号才会报故障，增加了信号的容错率，提高了电铲的稳定性，基本上杜绝了因抱闸限位或抱闸压力传感器信号问题而引起的故障时间。同时以报警和计数的方式显示在触摸屏上。一方面会发出声光报警，同时触摸屏会出现报文提醒司机查看故障，存在问题一目了然，有力的保证了挖掘机的正常状态。
参考文献：
[1] 宋黎明，杨前明，谢计业，等.电感式位移传感器输出特性仿真分析[J].
机电工程，2012，（7）.
[2] 陈理壁.步进电机及其应用[M].北京：科学技术出版社，1989.
[3] 徐丽，张文海，李晓岚.用Excel电子表格计算力矩电机-电流特性线 性度[J].微特电机，2012，（10）.
[4] 张晓波.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2011.