掘進機控制系統(tǒng)升級改造設(shè)計與應(yīng)用

張 華

（晉能控股裝備制造集團， 山西 晉城 048006）

引言

掘進機是煤炭開采過程中極為重要的設(shè)備之一，隨著煤炭需要量的逐年增加，對其工作的安全性和可靠性要求越來越高[1-3]。控制系統(tǒng)作為掘進機的重要組成部分，是保證掘進機實現(xiàn)煤炭掘進功能的基礎(chǔ)，其能否穩(wěn)定可靠工作，不僅關(guān)系井下曠工的生命安全，還與煤炭企業(yè)的產(chǎn)煤總量和生產(chǎn)效率息息相關(guān)[4]。遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，適合工作環(huán)境比較苛刻、危及人身安全的場合，對于掘進機控制系統(tǒng)改造具有很好的借鑒意義[5-6]。因此，針對某煤炭企業(yè)服役中的掘進機控制系統(tǒng)存在的問題，開展遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作，通過現(xiàn)場試運行確定遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的可行性具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)存在的問題

某企業(yè)服役中的掘進機控制系統(tǒng)使用的核心控制器為PLC，具有很好的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力。而控制系統(tǒng)中使用的控制元器件隨著使用年限的增加性能出現(xiàn)了明顯的下降，在實際應(yīng)用過程中的表現(xiàn)就是經(jīng)常出現(xiàn)誤動作、過熱過燒等問題，導(dǎo)致掘進機不能正常連續(xù)開展工作，限制著煤炭企業(yè)產(chǎn)煤量的進一步提升。與此同時，控制系統(tǒng)誤動作的安全隱患極為嚴重，如掘進機正常工作時的機械運轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常，不僅威脅周圍工作人員的生命安全，還可能對相鄰機械設(shè)備產(chǎn)生猛烈撞擊，甚至出現(xiàn)嚴重事故，給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。為了解決掘進機原有控制系統(tǒng)存在的諸多問題，提高掘進機工作時的安全性和可靠性，有必要開展掘進機控制系統(tǒng)的改進設(shè)計工作。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

從解決掘進機原有控制系統(tǒng)存在問題的角度出發(fā)，完成了掘進機控制系統(tǒng)的改進設(shè)計，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，實現(xiàn)了掘進機遠程監(jiān)控的功能。改進以后的控制系統(tǒng)主要涉及電控系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的組成包括上位機和下位機，上位機負責(zé)實時顯示井下掘進機的運行情況，下位機負責(zé)采集掘進機實際運行參數(shù)，數(shù)據(jù)分析處理之后傳輸至上位機進行顯示。執(zhí)行系統(tǒng)負責(zé)執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，涉及掘進機各個運動軸位姿的調(diào)整，如升降、擺動等。監(jiān)測系統(tǒng)負責(zé)實時采集掘進機工作過程中的運行參數(shù)，如電機的電壓、電流、壓力等。視頻顯示系統(tǒng)負責(zé)采集掘進機工作周圍的環(huán)境情況，確保掘進機工作范圍內(nèi)無人員或者障礙物，以免出現(xiàn)安全事故。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電氣元件選型

基于掘進機原有控制系統(tǒng)開展改造設(shè)計工作，為了進一步提高掘進機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，重新選擇了PLC，具體型號為S7-200，具有足夠的數(shù)據(jù)采集接口且可擴展，數(shù)據(jù)處理能力強，足以滿足掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的需求。激光測距儀的作用是實時采集截割頭位姿，因其工作環(huán)境極為苛刻，故而可靠性要求較高，綜合各種因素之后選擇激光測距儀的型號是DLS-E50。位置傳感器采用的是直線傳感器，用于監(jiān)測掘進機各個油缸的動作位移，因掘進機工作時震動較大，選擇拉線傳感器為宜，型號為KS15 一個和KS20 三個。

3.2 電控系統(tǒng)

改進以后的掘進機控制系統(tǒng)主要由PLC 控制器、信號采集系統(tǒng)、顯示器的組成。遠程控制功能的實現(xiàn)由PLC-M1 接口完成，由其接收遠程控制信號，同時，可以將采集得到的狀態(tài)信號傳輸至監(jiān)控中心?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計，具備了掘進機運行參數(shù)的實時監(jiān)測和遠程監(jiān)控功能。

3.3 電氣控制箱

改進掘進機控制系統(tǒng)的電氣控制箱由箱體和背板兩部分組成，如圖2 所示，電器控制箱內(nèi)配置24V電源、PLC 控制器組件、傳感器及電源接線排等。24V直流電源為改進控制系統(tǒng)各個傳感器供電完成掘進機運行參數(shù)的實時采集功能，同時，將采集得到的運行數(shù)據(jù)傳輸至PLC-M1 進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及變化趨勢，監(jiān)控人員可以發(fā)出控制指令，實現(xiàn)掘進機遠程控制。

圖2 控制系統(tǒng)電氣控制箱

3.4 視頻顯示系統(tǒng)

改進掘進機控制系統(tǒng)視頻顯示系統(tǒng)的組成包括攝像頭、光端機、刻盤機和顯示器等。工作過程中由攝像頭采集掘進機周圍的各個環(huán)境因素，經(jīng)過視頻傳輸線傳輸至控制箱，再經(jīng)過光纖傳輸至地面監(jiān)控中心進行實時顯示，供監(jiān)控人員實時了解掘進機周圍的工作環(huán)境。顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 視頻顯示系統(tǒng)

4 軟件設(shè)計

4.1 電氣控制程序

改進控制系統(tǒng)中的電氣控制程序的作用是控制掘進機各軸電機的運行狀態(tài)，包括啟?？刂?、過載保護等。具體的電控系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。由圖4可以看出，電控系統(tǒng)程序涉及初始化、電壓、截割、轉(zhuǎn)載、故障檢測等子程序，其中初始化程序主要用于初次啟動及故障重置等；電壓子程序用于監(jiān)測掘進機運行過程中的各種電壓信號；截割子程序用于監(jiān)測截割頭的位姿狀態(tài)；轉(zhuǎn)載子程序用于控制掘進機轉(zhuǎn)載部分的啟停等。

圖4 電控系統(tǒng)控制程序

4.2 功能控制程序

改進掘進機控制系統(tǒng)的功能控制程序主要負責(zé)采集信號放大卡輸出電壓及掘進機配置傳感器等信號，具體工作流程如下頁圖5 所示，涉及初始化、AO輸出、傳感器數(shù)據(jù)采集等子程序。初始化子程序用于監(jiān)控系統(tǒng)初始啟動或者故障清零；AO 輸出子程序?qū)LC-M1 端口發(fā)出的電壓信號傳送至信號放大卡進行放大處理；傳感器數(shù)據(jù)采集子程序用于采集激光測距儀、拉線傳感器、電信號等數(shù)據(jù)，之后傳輸至PLC-M1 端口。

圖5 功能控制程序

4.3 上位機程序

改進掘進機控制系統(tǒng)上位機程序編寫在SIMATIC WINCC6.2 環(huán)境下完成，能夠直接與控制系統(tǒng)控制器PLC 對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與此同時，操作界面的設(shè)計環(huán)節(jié)極為簡便，能夠保障上位機設(shè)計工作的順利進行?；诟倪M掘進機控制系統(tǒng)的需求，完成了掘進機控制系統(tǒng)主界面設(shè)計，如圖6 所示。主界面中包括電源電壓、控制電流、截割頭位姿等信息的顯示界面，展示給監(jiān)控人員掘進機的運行狀態(tài)，并可以根據(jù)需要修改設(shè)置掘進機運行參數(shù)，實現(xiàn)掘進機的遠程控制。

圖6 掘進機控制系統(tǒng)主界面

5 應(yīng)用效果評價

基于原掘進機控制系統(tǒng)存在的問題，完成了掘進機控制系統(tǒng)的改造設(shè)計，為了驗證改造以后控制系統(tǒng)的可行性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的掘進機中進行試運行，現(xiàn)場試運行結(jié)果表明，改進之后的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了掘進機運行狀態(tài)實時監(jiān)測和遠程控制功能。統(tǒng)計結(jié)果顯示，改進之后的掘進機控制系統(tǒng)，降低了近12%的故障排查時間，節(jié)約了2～3 名設(shè)備維保人員，提高了掘進機近10%的有效利用率，降低了煤炭掘進成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近100 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。