EBZ140-S20型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王洪海

（阜新礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧阜新 123000）

0 引言

煤礦作為一種重要的化石能源，為我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。掘進(jìn)機(jī)作為一種重要的煤礦開采設(shè)備，其可靠性對(duì)煤礦的生產(chǎn)具有重要影響。電氣控制系統(tǒng)可保障掘進(jìn)機(jī)在井下高溫、高濕度或者強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中工作[1]。因此，需要不斷研究提高掘進(jìn)機(jī)工作效率的方法，而電氣控制系統(tǒng)則可以極大提高相關(guān)設(shè)備的工作效率。

在原有電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，可以提高設(shè)備的自動(dòng)化水平。電氣控制系統(tǒng)的管理核心是PLC可編程控制器，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)在施工作業(yè)過程中的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)。相較于原電氣控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間迅速、可靠性更高、適用性更強(qiáng)等特點(diǎn)。

自動(dòng)化與智能化一直以來都是掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展方向，其中電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。電氣自動(dòng)化主要解決設(shè)備操作效率的問題，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以幫助操作人員完成相關(guān)的機(jī)械動(dòng)作的控制，并由此極大地提高煤礦的生產(chǎn)效率。對(duì)EBZ140－S20型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體進(jìn)行更新升級(jí)，有助于提高煤礦生產(chǎn)效率，提高設(shè)備的可靠性。

1 EBZ140－S20型掘進(jìn)機(jī)

EBZ140－S20型掘進(jìn)機(jī)是一種性能優(yōu)越、可靠性好且結(jié)構(gòu)緊湊的掘進(jìn)機(jī)，廣泛應(yīng)用于煤礦企業(yè)中，其結(jié)構(gòu)主要包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、走行部、回轉(zhuǎn)支撐平臺(tái)等。該型掘進(jìn)機(jī)可用于切割任意形狀斷面的煤層，最大截割高度為6.2 m，寬度為7 m，單向抗壓強(qiáng)度小于或等于130 MPa，適應(yīng)工作最大坡度為±18°，機(jī)器的主體尺寸為9 510 mm×2 900 mm×1 850 mm[2]。

掘進(jìn)機(jī)重要部件的功能介紹如下。

（1）工作機(jī)構(gòu)：主要負(fù)責(zé)在掘進(jìn)過程中對(duì)煤巖的截割，主要結(jié)構(gòu)包括截割頭、截割部件的減速器、動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

（2）回轉(zhuǎn)臺(tái)：連接掘進(jìn)機(jī)截割部件與主體結(jié)構(gòu)之間的重要部件，主要結(jié)構(gòu)包括回轉(zhuǎn)架與回轉(zhuǎn)座，可相對(duì)于主機(jī)架旋轉(zhuǎn)。

（3）走行部：該型掘進(jìn)機(jī)的走行部采用的是2條履帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，越野性能好，同時(shí)在走行部上布置了控制工作結(jié)構(gòu)的液壓系統(tǒng)。

其余的電氣、冷卻等輔助系統(tǒng)不再一一列舉[3]。

2 可編程控制器PLC

隨著計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)發(fā)展，PLC（Programma?ble Logic Controllers）被廣泛應(yīng)用于煤礦、石油、冶煉、制造加工等行業(yè)，目前已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)核心部分，在簡(jiǎn)易控制器中使用廣泛。

PLC的功能越來越強(qiáng)大，現(xiàn)在PLC控制系統(tǒng)包含有豐富的模擬接口和信號(hào)接口，使其應(yīng)用范圍得到了極大拓寬。主流的PLC廠家，包括德國(guó)西門子、日本歐姆龍等，國(guó)內(nèi)的PLC廠商有數(shù)十家，其產(chǎn)品性能也日趨穩(wěn)定。PLC產(chǎn)品向著小型化、集成化等方向發(fā)展，產(chǎn)品性能、控制模型等都有了較大的提升。

PLC控制器具有較好的可靠性、穩(wěn)定性等，其主要具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）穩(wěn)定性強(qiáng)。PLC控制器硬件與軟件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，可適應(yīng)煤礦井下作業(yè)的環(huán)境，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

（2）功能豐富。PLC控制器其性能逐漸豐富起來，一般除了具有較強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力和常規(guī)的控制以外，還具有自我診斷、自我保護(hù)等功能。

（3）兼容性好。由于通信接口以及各連接接口之間都形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在同一個(gè)系統(tǒng)中使用不同品牌的PLC控制器仍然具有較好的兼容性，同時(shí)也比較容易實(shí)現(xiàn)。PLC控制器的成本較低，使用與維護(hù)方便，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本[4]。

3 系統(tǒng)需求分析

掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)核心組成部件，電氣控制系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行動(dòng)作的控制以及掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作、液壓支撐系統(tǒng)的支撐動(dòng)作。該系統(tǒng)具備有遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)調(diào)整等功能，具有人機(jī)交互能力，監(jiān)控人員可以通過掘進(jìn)機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)的控制。

該型掘進(jìn)機(jī)的破巖刀分別由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此需要控制器對(duì)不同電機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；控制系統(tǒng)也可以調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)與動(dòng)作，掘進(jìn)機(jī)各部件的動(dòng)作控制均由實(shí)際采集的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，反饋出控制變量值。下面對(duì)控制系統(tǒng)中不同控制模塊需求做簡(jiǎn)要說明。

（1）液壓模塊

液壓系統(tǒng)是掘進(jìn)過程中重要的動(dòng)力控制元件，在掘進(jìn)機(jī)的工作過程中，主要負(fù)責(zé)完成掘進(jìn)機(jī)的移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)等功能，是掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中不可或缺的重要部分。

（2）刀盤模塊

掘進(jìn)機(jī)的刀盤控制，對(duì)設(shè)備作業(yè)效率有重要的影響，在作業(yè)中需要不斷對(duì)截割部動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，并通過刀盤電機(jī)控制刀盤的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)掘進(jìn)中的巖層特點(diǎn)的變化做出及時(shí)調(diào)整。

（3）遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相互兼容，各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)相互共享，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有人機(jī)交互的操作界面。該控制系統(tǒng)可在掘進(jìn)機(jī)發(fā)生一些常見故障時(shí)，自主做出判斷，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

（4）安全監(jiān)控模塊

安全監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并可以根據(jù)智能化掘進(jìn)控制系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，具有被動(dòng)安全保護(hù)措施。當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差時(shí)，安全監(jiān)控模塊可發(fā)出警報(bào)，是整個(gè)控制系統(tǒng)中重要的組成部分[5]。

4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

EBZ140－S20型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，該系統(tǒng)中包括位于地面的遠(yuǎn)程控制中心和隨機(jī)操作與控制中心。根據(jù)各子模塊的功能的不同，可以將整套控制系統(tǒng)劃分為液壓控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制模塊、液壓模塊與人機(jī)交互模塊。下面對(duì)系統(tǒng)的主要模塊的結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要說明[6]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

（1）主機(jī)控制結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)采用的是主、副2套PLC控制器，2套相對(duì)獨(dú)立的控制器，確保了整機(jī)控制器的可靠性。主機(jī)PLC控制器主要負(fù)責(zé)掘進(jìn)機(jī)各傳感器數(shù)據(jù)的采集、動(dòng)作控制指令的發(fā)出，可以根據(jù)控制命令對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行做出控制與調(diào)整。

（2）控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

圖2所示為電氣控制系統(tǒng)顯示界面，PLC控制器之間和PLC與地面控制中心之間采用有線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)；在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境較差，為了適應(yīng)掘進(jìn)機(jī)工作的需要，在掘進(jìn)機(jī)端布置無線通信技術(shù)，提高了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。

圖2 電氣控制系統(tǒng)顯示界面

（3）PLC接口擴(kuò)展模塊

在設(shè)計(jì)PLC控制器的設(shè)計(jì)階段，需要考慮應(yīng)對(duì)未來需求增加的情況，因此PLC控制器拓展了多個(gè)信號(hào)接口，主要用于接入各種傳感器。同時(shí)接入了控制系統(tǒng)的主開關(guān)、模式選擇開關(guān)等，PLC與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相互連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)在遠(yuǎn)程控制模式下的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制[7]。

5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)EBZ140－S20型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，該電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括兩大部分。一是掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與控制，二是掘進(jìn)機(jī)終端動(dòng)作控制的系統(tǒng)程序。最后對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，由于篇幅所限，在此以電氣控制系統(tǒng)為例做簡(jiǎn)要介紹[8]。

如圖2所示，該狀態(tài)下可顯示主刀盤控制電機(jī)、主泵、副泵、聯(lián)合泵等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的轉(zhuǎn)速、電流、電壓等值。可視化的信息顯示，有助于直觀地了解掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。該電氣控制系統(tǒng)還可顯示掘進(jìn)機(jī)舉升、擺動(dòng)液壓缸的行程與壓力情況，顯示各傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，各設(shè)備的通信狀態(tài)等信息。

6 結(jié)束語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)在采礦業(yè)中扮演著重要角色，迫切需要提高掘進(jìn)機(jī)工作效率，本文以EBZ140－S20掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套全新的電氣控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控與其動(dòng)作控制，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)走行機(jī)構(gòu)、擺臂以及舉升液壓系統(tǒng)的監(jiān)控與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀盤掘進(jìn)量、轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)與控制。在后期的實(shí)際應(yīng)用中電控系統(tǒng)提高了掘進(jìn)機(jī)開采的效率，該設(shè)計(jì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有積極參考意義。