掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)

張 政

（山西霍寶干河煤礦有限公司， 山西 洪洞 041600）

引言

某煤礦作業(yè)開采使用的是老式掘進(jìn)機(jī)，該機(jī)械采用繼電器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，養(yǎng)護(hù)維修不便，自動(dòng)化水平不高，無法滿足4.0工業(yè)化要求。為了能夠滿足煤礦企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營需求，需提高和優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的功能及構(gòu)造，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)改造，以確保其在惡劣環(huán)境下可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具備較好的抵抗干擾性能[1]。該方案將系統(tǒng)做了升級(jí)和完善，其核心控制系統(tǒng)選取西門子S7-200PLC及其軟件技術(shù)，優(yōu)勢(shì)在于安裝和編程簡(jiǎn)便、安全性能穩(wěn)定、抗干擾性能力強(qiáng)、易于維護(hù)等。

1 關(guān)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的研究

首先根據(jù)某煤田地質(zhì)情況以及本煤炭作業(yè)工作流程分析與研究，設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)控制智能分析系統(tǒng)，必須達(dá)到智能化要求，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制及數(shù)據(jù)顯示功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)作業(yè)流程和運(yùn)轉(zhuǎn)狀況數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和記錄，先對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割過程進(jìn)行分析，搭建斷面數(shù)據(jù)尺寸同作業(yè)單位參數(shù)之間的數(shù)字模型，計(jì)算懸臂運(yùn)行轉(zhuǎn)角的位置和液壓缸位置以及截切頭坐標(biāo)三者之間的相關(guān)性。

控制軟件表現(xiàn)出截割范圍，并給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)及視頻信息，這些視頻信息分為截切和運(yùn)行等情況信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而滿足截切自動(dòng)成型的要求。結(jié)合地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)把智能技術(shù)用于設(shè)備當(dāng)中，以達(dá)到節(jié)約人力和時(shí)間的目的。

為使系統(tǒng)進(jìn)入適合的軌道，選用可視化智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可縮短設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，降低能耗。經(jīng)過比較選用防爆三相電機(jī)和變頻技術(shù)，經(jīng)過單片機(jī)AVP控制整個(gè)截切流程，并選用VB6.0程序在Window界面顯示[2]。

2 關(guān)于掘進(jìn)機(jī)相關(guān)智能設(shè)計(jì)的要求

控制掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：即PLC、電機(jī)、回路保護(hù)及顯示部分。該系統(tǒng)電壓是50 Hz交流供電電壓，能夠滿足電機(jī)進(jìn)行啟停工作及正反轉(zhuǎn)，可以有效保護(hù)電機(jī)。EBZ150A型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行截割、轉(zhuǎn)載和運(yùn)行等生產(chǎn)操作時(shí)都離不開電機(jī)的支撐，該電機(jī)可充分滿足工作需求。

掘進(jìn)機(jī)操作一般流程分為：一是準(zhǔn)備階段，要做好工作場(chǎng)地不相關(guān)人員的清除工作；二是啟動(dòng)階段，當(dāng)電機(jī)被啟動(dòng)后，油泵恒定電壓預(yù)警引發(fā)自動(dòng)切割后，這時(shí)磁閥被啟動(dòng)；三是低速啟動(dòng)和電機(jī)高速截割[3]。

控制掘進(jìn)機(jī)軟件系統(tǒng)的主要功能包括：一是漏電狀況檢測(cè)，主要負(fù)責(zé)對(duì)油泵及電機(jī)截割進(jìn)行漏電檢測(cè)，如果發(fā)生漏電就會(huì)引發(fā)報(bào)警；二是功能保護(hù)，用于防止各電機(jī)出現(xiàn)過流和超溫、超載等情況。該系統(tǒng)PLC主要負(fù)責(zé)對(duì)油泵和電機(jī)切割順序及高低速電機(jī)之間的切割互鎖；另外，該系統(tǒng)設(shè)有急停按鈕，確保發(fā)生意外時(shí)可以迅速停機(jī)，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)電機(jī)流程見圖1。

圖1 掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)電機(jī)流程

3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)控制硬件由指示各種功能的信號(hào)燈、報(bào)警用的聲音報(bào)警、報(bào)警用的光報(bào)警、按鈕、開關(guān)等組成，由于西門子CPU226控制器能夠進(jìn)行各種功能擴(kuò)展，靈活、方便，基本能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的智能化控制[4]，所以，本設(shè)計(jì)采用西門子PLCS7-200的CPU226控制器作為控制核心。另外，對(duì)CPU226進(jìn)行了功能擴(kuò)展，增加了數(shù)字模塊與模擬模塊，分別是西門子Em231與Em222。西門子S7-200將與上位機(jī)電腦以及HMI觸摸屏進(jìn)行連接，從而達(dá)到人機(jī)進(jìn)行交換的最為優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)，它降低了操作人員工作難度，HMI觸摸屏更加直觀、具體地反映掘進(jìn)機(jī)的工作狀況，控制更加直觀。系統(tǒng)安全監(jiān)控能夠依據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)故障或者危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，操作人員根據(jù)報(bào)警采集的信息能夠準(zhǔn)確判斷出故障部位及故障性質(zhì)，這樣有利于維修人員快速對(duì)故障進(jìn)行維修，從而大大提高了掘進(jìn)機(jī)施工效率[5]。

3.2 程序控制設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)PLC程序控制的流程工作如2圖所示。從中可以看出掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行智能改裝后，其工作流程如下：首先要做掘進(jìn)機(jī)工作前的準(zhǔn)備，進(jìn)行自檢系統(tǒng)以及相應(yīng)元件檢查，判斷其是否存在故障，如果系統(tǒng)元件存在故障，系統(tǒng)將發(fā)出故障報(bào)警，提醒操作人員處理故障。當(dāng)自檢結(jié)果正常時(shí)，控制人員將啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入準(zhǔn)備工作，如果啟動(dòng)油泵電機(jī)，掘進(jìn)機(jī)將進(jìn)行液壓油升壓工作，當(dāng)系統(tǒng)液壓穩(wěn)定后掘進(jìn)機(jī)才能夠進(jìn)行下一步的工作，5 s后掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入低速切割程序（啟動(dòng)低速切割電機(jī)），再過5 s后掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入高速切割程序（啟動(dòng)高速切割電機(jī)）。

圖2 設(shè)計(jì)程序流程圖

3.3 抗干擾和安全性設(shè)計(jì)

由于掘進(jìn)機(jī)施工環(huán)境非常復(fù)雜，增強(qiáng)、加大掘進(jìn)機(jī)抗干擾及安全性的設(shè)計(jì)是非常重要的。在掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)控制里，各種開換、繼電器、PLC、顯示器等電子、電器元件，都安裝于掘進(jìn)機(jī)電控柜里，所以，設(shè)計(jì)的電控柜不僅要達(dá)到尺寸要求，在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上也要滿足安全上的需要，必須具備一定的隔爆、防爆的能力。另外設(shè)計(jì)的電控柜，在開門時(shí)保證電路斷電確保安全，在設(shè)計(jì)時(shí)安裝開門傳感器，當(dāng)開門前由于忘記或者別的原因沒有斷開控制柜電源，在打開控制柜門時(shí)自動(dòng)斷開控制柜電源，當(dāng)關(guān)閉控制柜門時(shí)又能自動(dòng)接通電源，從而保證工作人員的安全。另外，控制柜應(yīng)設(shè)計(jì)防震裝置，確保系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)造成系統(tǒng)控制的誤操作。除此之外，掘進(jìn)機(jī)為了能夠確保工作時(shí)不受干擾，除上述設(shè)計(jì)采用的電控柜是防震隔爆外，還有掘進(jìn)機(jī)控制核心PLC程序控制器的選用必須也要具有抗電磁功能[6]，其設(shè)計(jì)選用內(nèi)容有：設(shè)計(jì)PLC程序控制器必須采用獨(dú)立供電電源；PLC程序控制器傳輸信號(hào)的線路不能與動(dòng)力電源線路一起排列，防止交流頻率影響信號(hào)參數(shù)；PLC硬件控制裝置必須安裝在金屬控制柜內(nèi)，這樣可以屏蔽控制柜以外的電磁信號(hào)。

4 控制系統(tǒng)的維護(hù)

4.1 元件、電纜的維護(hù)

掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的控制元件、設(shè)備、電線、電纜在井下惡劣的環(huán)境中非常容易出現(xiàn)老化破壞，所以必須定期對(duì)系統(tǒng)控制進(jìn)行必要的保養(yǎng)維護(hù)，具體工作內(nèi)容如下：

1）檢查掘進(jìn)機(jī)電氣控制元件，首先檢查系統(tǒng)控制的各個(gè)熔斷器、主接觸器、接線是否工作正常。檢查系統(tǒng)控制各個(gè)功能是否工作正常，檢查報(bào)警器是否工作正常。最后檢查系統(tǒng)控制緊急停止開關(guān)是否工作正常。

2）檢查電纜情況，對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電纜技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到目前工作要求，檢查電纜工作現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)漏水、滴水現(xiàn)象，電纜外防護(hù)是不是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作已經(jīng)破損，電纜是不是由于接觸油類發(fā)生老化影響其絕緣性能，電纜外防護(hù)鎧甲是否能夠承受規(guī)定沖擊力等。

4.2 電機(jī)的維護(hù)

掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的電機(jī)是保證掘進(jìn)機(jī)能否正常工作的基礎(chǔ)，所以，對(duì)掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)控制的電機(jī)進(jìn)行定期保養(yǎng)、維護(hù)非常重要，其具體工作內(nèi)容如下：

1）定期檢查設(shè)備（電機(jī)）工作時(shí)的電壓是否在規(guī)定范圍之內(nèi)，電機(jī)工作時(shí)的溫度是否符合要求。

2）定期檢查連接電機(jī)裝置的穩(wěn)定性，定期檢查電機(jī)絕緣性能，定期為電機(jī)主軸軸承添加潤滑油[7]。

5 結(jié)語

某煤礦掘進(jìn)機(jī)所在地質(zhì)環(huán)境非常惡劣，煤礦掘進(jìn)機(jī)必須具備隔爆、防震、耐腐蝕性、耐高溫性等功能，電氣控制必須能夠抗干擾、防電磁污染等，由于環(huán)境惡劣，本煤礦掘進(jìn)機(jī)已不適應(yīng)工作需求。針對(duì)井田地質(zhì)及煤礦工作條件、環(huán)境對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，控制采用智能化系統(tǒng)，使用西門子S7-200PLC編程器進(jìn)行控制，可提高煤礦掘進(jìn)機(jī)在煤炭開采工作中的效率。