劉洋

摘 要：文章基于PLC程序，結(jié)合挖掘機(jī)特性和功能，通過MP277上位機(jī)采集、實(shí)時(shí)顯示報(bào)警和故障代碼，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)性能的優(yōu)化和升級。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試驗(yàn)證，獲得了良好的運(yùn)行效果，能夠滿足挖掘機(jī)各種工況控制的要求。

關(guān)鍵詞：PLC；挖掘機(jī)；特性；功能

中圖分類號：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）32-0023-02

電動挖掘機(jī)在露天采礦、基建施工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]，隨著太重WK系列大型礦用挖掘機(jī)電控系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新、電機(jī)控制技術(shù)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，對于電氣服務(wù)工程師的技術(shù)水平也提出了新的、更高的要求，尤其是現(xiàn)場實(shí)際操作能力。近年來，面對復(fù)雜多變的外部環(huán)境和日益加劇的競爭格局，公司日益感覺到設(shè)備的穩(wěn)定性和完好性對礦山企業(yè)生存發(fā)展的重要性。為了提高公司的運(yùn)行質(zhì)量和服務(wù)管理水平，對挖掘機(jī)的部分功能加以了優(yōu)化和改進(jìn)。

1 大型礦用挖掘機(jī)介紹

大型礦用挖掘設(shè)備是現(xiàn)代化露天煤礦的主力軍，從20世紀(jì)60年代使用的4立方挖掘機(jī)開始，隨著露天礦產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，逐步引進(jìn)了12立方、20立方、35立方和55立方挖掘機(jī)，電氣控制系統(tǒng)由原來的直流控制系統(tǒng)升級為現(xiàn)在的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。挖掘機(jī)在露天礦山工作過程中主要有五大機(jī)構(gòu)，有提升、推壓、走行、回轉(zhuǎn)、開斗機(jī)構(gòu)，司機(jī)室內(nèi)操作人員通過主令等控件，把信號傳遞到變頻器，由電機(jī)帶動機(jī)械齒輪箱來實(shí)現(xiàn)物料的挖掘和裝載。

以WK-35挖掘機(jī)為例，電鏟鏟斗機(jī)構(gòu)是正鏟，通過鏟斗提梁和阻尼機(jī)構(gòu)固定在斗桿上。斗桿上焊裝有齒條，并放置于推壓小齒輪上，通過鞍座固定，齒輪-齒條推壓來實(shí)現(xiàn)鏟斗的伸出和收回。提升功能是通過提升卷筒的旋轉(zhuǎn)纏繞提升鋼絲繩帶動鏟斗的上下運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。提升和推壓兩個(gè)動作的相互配合，就實(shí)現(xiàn)了物料的挖掘。當(dāng)物料裝滿后，需要裝入運(yùn)輸車，挖掘機(jī)通過回轉(zhuǎn)小齒輪在回轉(zhuǎn)大齒圈上來回地咬合運(yùn)動來完成。與此同時(shí)還需要開斗機(jī)構(gòu)的配合，挖掘機(jī)通過開斗電機(jī)纏繞開斗鋼絲繩拉動開斗銷，鏟斗底板打開，物料實(shí)現(xiàn)裝車完成。由于大型挖掘機(jī)的整體重量很大，走行機(jī)構(gòu)都采用履帶式來增加對地的比壓，保持設(shè)備的平穩(wěn)。

2 大型礦用挖掘機(jī)的控制特性

2.1 挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)

礦用挖掘機(jī)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)為“MP277工控機(jī)+PLC+DP通訊+變頻傳動”組成的四級控制系統(tǒng)[2]。如圖1所示，MP277工控機(jī)應(yīng)能監(jiān)控和實(shí)時(shí)顯示整臺挖掘機(jī)工作中的狀態(tài)及故障信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)畫面的模擬顯示與故障的自我診斷；PLC通過PROFIBUS DP總線與AFE控制單元，提升、推壓、走行、回轉(zhuǎn)四個(gè)機(jī)構(gòu)的逆變器、司機(jī)室操作臺和主令的控制等連接，實(shí)現(xiàn)逐級分層控制；通過AFE控制單元整流為直流，公用直流母線又與各機(jī)構(gòu)逆變器相連，通過電流和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)對各機(jī)構(gòu)電機(jī)力矩、電流與速度的準(zhǔn)確控制。

2.2 挖掘機(jī)各機(jī)構(gòu)控制形式

行走機(jī)構(gòu)兩臺電機(jī)為分別獨(dú)立驅(qū)動，右行走電機(jī)有一臺逆變器驅(qū)動，左行走電機(jī)有一臺逆變器驅(qū)動。這樣分別控制能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機(jī)走行電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行，電機(jī)可以保持一個(gè)正轉(zhuǎn)，一個(gè)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的原地挑頭，有效的減少了挖掘機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的機(jī)械摩擦給設(shè)備帶來的損害。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一臺逆變器帶動兩臺電機(jī)，兩臺電機(jī)軸承連接回轉(zhuǎn)小齒輪，通過在回轉(zhuǎn)大齒圈上來回地耦合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。同一逆變器的輸出，兩臺電機(jī)的電源保證來自同一個(gè)出點(diǎn)，這樣兩臺電機(jī)的力矩（或速度）也基本保持一致，很好的保證了兩個(gè)電機(jī)的協(xié)同作業(yè)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性屬于大慣量運(yùn)動載體，在正常工作下一個(gè)工作循環(huán)僅作0 °～80 °、100 °～0 °的正反往返旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)控制采用速度限幅、轉(zhuǎn)矩控制方式，即控制器給定是轉(zhuǎn)矩給定，給定大小決定了起制動時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小、啟制動的快慢。往返旋轉(zhuǎn)期間由于大慣量不能立即停車，需在主令給定的加減速時(shí)間內(nèi)打反車制動，有效的避免了機(jī)械沖擊。提升機(jī)構(gòu)兩臺電動機(jī)分別通過聯(lián)軸節(jié)來你姐在一臺減速機(jī)的一根軸上，兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速完全一致。由于采用兩臺逆變器共同驅(qū)動兩臺電機(jī)，中間有電機(jī)耦合控制箱。有效的保證兩臺電機(jī)做功相等，在兩臺逆變器之間采用“一拖二”控制技術(shù)，由于提升機(jī)構(gòu)的特殊性，在裝車過程中需要精準(zhǔn)的定位，故采取了速度控制。推壓機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)采用速度閉環(huán)矢量控制，為提高挖掘時(shí)的切削力，推壓電動機(jī)在0～80%的速度范圍內(nèi)均能輸出最大力矩，這就保證了鏟斗在80%速度范圍，其切削力基本不變。

2.3 挖掘機(jī)的試車以及特性

挖掘機(jī)在挖掘過程中，提升、推壓時(shí)通過DP通行來對話的，當(dāng)遇到物料粘性較大時(shí)，有時(shí)提升提不動，有時(shí)推壓收不回。此時(shí)通過電流和轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)反饋信號分析，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的變頻器都達(dá)到了預(yù)設(shè)的上限值，此時(shí)變頻器會自動調(diào)整，提升和推壓逆變器將在低速運(yùn)行，將鏟斗拖出，解決了司機(jī)遇到的問題。也有可能在鏟斗被黏住以后，司機(jī)可能會將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)誤操作，當(dāng)逆變器檢測到電流都為90%以上時(shí)，自動告知回轉(zhuǎn)逆變器的輸出為0，有效的避免了誤操作回轉(zhuǎn)時(shí)將鏟斗斗桿損壞的可能。

也有可能挖掘機(jī)在挖掘過程中，遇到大塊或根底時(shí)，提升和推壓機(jī)構(gòu)經(jīng)常會造成堵轉(zhuǎn)，這時(shí)電機(jī)既要維持出力又要保證不燒損，這就要求對挖掘機(jī)機(jī)械特性[3-4]有全面的了解，如圖2所示。當(dāng)電樞電流到達(dá)堵轉(zhuǎn)電流Id后，此時(shí)堵轉(zhuǎn)保護(hù)計(jì)時(shí)，超過設(shè)定時(shí)間后，提升報(bào)警[5]。

3 目前挖掘機(jī)使用過程中的問題

當(dāng)挖掘機(jī)提升抱閘關(guān)閉時(shí)，電磁閥不通電，如果氣壓檢測和抱閘打開限位中任意一個(gè)滿足條件則會報(bào)抱閘故障。抱閘打開時(shí)，電磁閥通電，如果氣壓檢測和抱閘打開限位中任意一個(gè)不滿足條件則會報(bào)抱閘故障。這樣就存在一個(gè)問題，當(dāng)抱閘處于打開狀態(tài)時(shí)，即使抱閘限位在打開位置，只要?dú)鈮簷z測存在問題就會報(bào)故障?；蛘弑чl限位存在問題，即使氣壓達(dá)到要求也會報(bào)出故障。而實(shí)際使用中兩者同時(shí)存在故障的幾率是很低的，而這樣的程序設(shè)置就會給設(shè)備帶來更多的停機(jī)時(shí)間。如果故障發(fā)生在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，則可能會帶來安全隱患。

4 系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)

修改后部分程序后，將兩點(diǎn)常閉點(diǎn)改為串聯(lián)，抱閘關(guān)閉狀態(tài)下邏輯同之前。抱閘打開時(shí)，如果氣壓檢測[1]和抱閘打開限位同時(shí)存在問題才會報(bào)故障。但這樣做也會帶來一個(gè)問題，假設(shè)限位監(jiān)測失效，只存在氣壓檢測工作，但氣壓設(shè)置不合適或者壓力傳感器已壞，則抱閘的保護(hù)措施不存在，對抱閘和電機(jī)裝置以及安全是非常不利的。所以修改后需要現(xiàn)場人員經(jīng)常檢查打開抱閘以測試抱閘限位以及氣壓監(jiān)測的工作是否正常，這是非常必要的。于是另外在觸摸屏增加抱閘監(jiān)測頁面，以監(jiān)測抱閘打開時(shí)各個(gè)信號點(diǎn)是否處于正常狀態(tài)，如果某一點(diǎn)存在問題可以一目了然的了解到情況并及時(shí)處理，保證電鏟工作在正常狀態(tài)。PLC設(shè)計(jì)升級圖如圖3所示，修改后觸摸屏主畫面如圖4所示。

5 結(jié) 論

針對該系統(tǒng)的控制軟件部分，通過修改PLC和觸摸屏程序后邏輯為抱閘打開情況下，氣壓監(jiān)測和機(jī)械限位同時(shí)傳回動作信號才會報(bào)故障，增加了信號的容錯率，提高了電鏟的穩(wěn)定性，基本上杜絕了因抱閘限位或抱閘壓力傳感器信號問題而引起的故障時(shí)間。同時(shí)以報(bào)警和計(jì)數(shù)的方式顯示在觸摸屏上。一方面會發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)觸摸屏?xí)霈F(xiàn)報(bào)文提醒司機(jī)查看故障，存在問題一目了然，有力的保證了挖掘機(jī)的正常狀態(tài)。

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