礦用掘進機控制系統(tǒng)改進設計

王 斌

（潞安集團古城煤礦，山西長治 046108）

0 引言

隨著現(xiàn)代控制水平的不斷提升，各行各業(yè)控制系統(tǒng)的綜合性能均取得了較快發(fā)展。掘進機作為井下作業(yè)的關鍵設備，使用環(huán)境惡劣，保證其具有較高的控制性能，對提高掘進機工作效率具有重要作用。現(xiàn)有的掘進機控制系統(tǒng)主要采用簡單的開關閉鎖和保護器進行控制，缺少系統(tǒng)的控制器和專業(yè)的數(shù)據監(jiān)控系統(tǒng)，在使用過程中經常出現(xiàn)功能不齊全、數(shù)據采集精度較低、系統(tǒng)故障發(fā)生率高等問題，無法實現(xiàn)對掘進機的實時診斷和控制。以現(xiàn)有掘進機控制系統(tǒng)為研究基礎，將先進技術應用到控制系統(tǒng)中，加快對控制系統(tǒng)的改進升級已成為當下提高掘進機綜合性能的重要研究方向[1]。因此，以掘進機控制系統(tǒng)結構組成為基礎，通過對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的存在問題進行分析，開展了控制系統(tǒng)的改進設計，增加高性能的PLC控制器和高速的以太網通信，并將其在古城煤礦中進行了應用測試。測試結果表明，該控制系統(tǒng)總體綜合性能更優(yōu)，更能滿足掘進機的使用需求。該研究對提高掘進機工作效率及作業(yè)安全具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)組成

目前，市場上所設計的掘進機控制系統(tǒng)均具有較高的隔爆防爆功能，根據不同掘進機的使用工況不同，對其電控箱及電控系統(tǒng)進行有針對性地優(yōu)化改進。掘進機電控系統(tǒng)結構相當復雜，主要包括電控箱、操作箱、連鎖功能、電氣主回路、保護主路等。電控箱是整套系統(tǒng)的核心部分，是整個系統(tǒng)的控制大腦，控制著整套系統(tǒng)的正常運行；系統(tǒng)保護主路設計了報警功能及自動切斷功能，主要負責電控系統(tǒng)的運行保護作用，當系統(tǒng)出現(xiàn)一定的故障問題時，保護主路可通過自身的報警系統(tǒng)發(fā)出相應的故障報警，并采取臨時中斷系統(tǒng)或完全切斷系統(tǒng)的保護措施[2]。另外，在整個電控系統(tǒng)中，設計了隔爆照明的專用燈、緊急停車按鍵等。整體來說，現(xiàn)有的掘進機電控系統(tǒng)在很大程度上具有較高的控制性能，基本能滿足掘進的井下作業(yè)需求，也對井下作業(yè)安全起到了較好的保護作用。

2 現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在的關鍵問題

隨著井下作業(yè)環(huán)境的不斷改變和惡化，加上掘進機自身系統(tǒng)的長久運行，現(xiàn)有的掘進機控制系統(tǒng)在使用過程中，經常出現(xiàn)控制精度不高、顯示不準確、線路接線負責無法及時排除等故障問題，嚴重影響掘進機的工作效率及作業(yè)安全，其主要故障問題如下[3-4]。

（1）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，較多采用了型號較為老舊的電機保護器設備，如ABD8-315、ABD8-85等，在運行過程中具有采集信號不穩(wěn)定、采集精度較低、易損壞等問題，且整體靈敏度相對較弱；另外，由于掘進機運行過程中會產生較大的振動現(xiàn)象，導致電機保護器的緊固螺釘出現(xiàn)了松動或掉落現(xiàn)象。

（2）現(xiàn)有的電控系統(tǒng)雖配備了故障報警提示，并在液晶顯示界面上進行實時顯示，但基本未設置故障報警燈，無法對故障的具體類型及故障等級進行具體顯示。

（3）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的PLC控制器對掘進機運行過程中的油溫、工作電壓、工作電流等參數(shù)進行實時檢測和診斷，但所檢測的參數(shù)數(shù)據不能形成相互的互鎖，也未進行檢測參數(shù)信號等顯示，在智能人機顯示方面有一定的顯示弊端。

（4）控制系統(tǒng)雖能對參數(shù)進行實時檢測，并進行相關參數(shù)的統(tǒng)計記錄，但在顯示功能方面，存在數(shù)碼顯示線路運行不正常、線路復雜等問題，且顯示的精度相對較低，這對后期進行控制系統(tǒng)的故障排查造成了一定困難。

3 控制系統(tǒng)改進設計

3.1 改進內容確定

結合現(xiàn)有掘進機控制系統(tǒng)存在的問題，有必要對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改進研究。在整個控制系統(tǒng)優(yōu)化過程中，主要考慮了系統(tǒng)中PLC控制器及系統(tǒng)模塊化的改進設計，并在信號檢測控制方面，選用了檢測精度更高的采集器和控制器（S7-412），在人機顯示界面方面，升級設計了信號參數(shù)顯示燈、報警指示燈，優(yōu)化了顯示界面[5]。另外，在控制系統(tǒng)中，對掘進機中振動、油泵電機、水冷電機、運輸電機、井下瓦斯?jié)舛取⒁何坏确矫孢M行了更加全面的檢測和系統(tǒng)保護，由此，確定了掘進機控制系統(tǒng)需改進的內容，同時在通訊方面，增加了以太網通訊模塊（CP443），有助于提高通訊速率和穩(wěn)定性，方便后期掘進機控制系統(tǒng)作為子系統(tǒng)納入智能礦井平臺。

3.2 解決的問題

結合上述確定的控制系統(tǒng)改進內容，通過對這些內容進行改進，大大提高了控制系統(tǒng)在信號采集、數(shù)據轉換、信號處理及命令執(zhí)行等方面的綜合性能；同時，通過采用模塊化、集成化設計，整體替代了電機控制器的控制性能，有效解決了現(xiàn)有控制系統(tǒng)結構復雜、線路繁瑣等問題，方便了后期對系統(tǒng)故障的快速排查及維修問題。另外，改進后的控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)整體的控制精度及可靠性，增加了系統(tǒng)的綜合保護功能，能夠很好地實現(xiàn)設備的自保護。

圖1 掘進機控制系統(tǒng)總體結構框架圖

3.3 改進總體方案

通過對控制系統(tǒng)改進內容改進后解決的問題進行分析，開展了掘進機控制系統(tǒng)的改進設計。改進后的控制系統(tǒng)采用了隔爆型電控箱，電源采用交流轉直流后的24 V電源，通過前端對振動、井下瓦斯?jié)舛?、掘進機電機工作電壓、設備漏電情況、工作溫度等參數(shù)的檢測，將其導入至電控箱中進行了信號的分析、判斷，由此，向掘進機中油泵電機、截割電機、工作電機等設備發(fā)出相應的控制命令，實現(xiàn)對這些部件的快速控制[6]。同時，在系統(tǒng)中采用了BH9與4AD相結合的PLC控制器，以此來完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機保護器設備；在人機顯示界面方面，采用了市場上成熟的觸屏方式進行改進設計，提高了系統(tǒng)的整體操作性能；針對井下多臺掘進機設備的控制系統(tǒng)，采用了多個控制回路進行統(tǒng)計管理控制，包括信號采集單元、信號處理單元、信號執(zhí)行單元、轉換單元、通訊單元等，而各個單元之間相互獨立但又相互配合，規(guī)范了控制系統(tǒng)的控制性能。由此，建立了改進后的掘進機控制系統(tǒng)，其結構框架圖如圖1所示。

3.4 信號轉換模塊

該控制系統(tǒng)中，所采集的信號需進行信號轉換后，方可傳輸至PLC控制器進行分析處理。因此，對該系統(tǒng)中的信號轉換進行了設計?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)中主要采用電機綜合保護器來實現(xiàn)信號轉換，經常存在短路、漏電問題。改進后的信號轉換模塊集成了4AD模塊和BH9模塊，其中，BH9模塊可完成對掘進機中油壓、電機工作溫度、漏電情況等信號的轉換，總共包含131、132、133、134等6路轉換信號，整體集成性更強。

3.5 振動變送器選型

由于掘進機設備的高速及長時間運轉，導致其在巖巷掘進時，經常會出現(xiàn)較大程度的振動現(xiàn)象。由于井下掘進環(huán)境惡劣，司機往往無法發(fā)現(xiàn)掘進機震動較大，很容易導致設備故障，對掘進機設備的安全運行構成了重要威脅。因此，有必要在掘進機上安裝振動變送器，主要安裝在驅動電機、截割頭附近，通過采集設備的振動情況及信號的判斷分析，實現(xiàn)對掘進機設備的有效控制。因此，選用了TMS-HZD型一體化振動變送器，如圖2所示。該變送器集成了傳統(tǒng)的精密測量電路、振動傳感器等，并直接與PLC、DC等系統(tǒng)進行連接，采用電磁感應原理來檢測輸出信號，可更加精確地對通風機振動狀態(tài)進行檢測，目前在國內煤礦設備振動檢測中應用較為廣泛。其中，該振動變送器的電動勢計算公式為：

式中：U為電動勢，V；B為磁感應強度，T；v為磁場中線圈運動的相對速度，m/s；L為磁場中線圈的有效長度，m。

圖2 TMS-HZD型振動變送器

4 改進后控制效果分析

為驗證所改進的控制系統(tǒng)是否能較好地滿足掘進機的使用需求，將其在古城煤礦中進行了為期2個月左右的現(xiàn)場應用測試，主要將該控制系統(tǒng)與掘進機進行了匹配連接。測試結果表明，改進后的掘進機控制系統(tǒng)各項功能運行正常，數(shù)據采集精度相對更高，可實現(xiàn)對掘進機工作震動、電壓、電流、井下瓦斯?jié)舛鹊刃盘栠M行準確檢測，并將處理后的信號在觸屏顯示界面中進行實時顯示，有助于對掘進機的故障進行預測，提升檢修效率，同時針對掘進機運行中出現(xiàn)的各類故障問題，能通過對應的故障報警指示燈進行直觀顯示，并發(fā)出相應的聲音報警。據現(xiàn)場作業(yè)人員介紹，該控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，整體性能更加全面，對掘進機的檢測及控制性能更佳，大大提高了掘進機工作的安全性，并得到人員的一致好評。由此，驗證了該控制系統(tǒng)的有效性。

5 結束語

不斷提高控制系統(tǒng)的綜合性能，是當下提高掘進機工作效率的重點改進方向。由此，分析了掘進機控制系統(tǒng)的結構組成，通過對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的存在問題進行分析，開展了控制系統(tǒng)的改進設計，確定了改進的內容及取得的效果，并將其在古城煤礦中進行了應用測試。測試結果表明，該控制系統(tǒng)總體綜合性能更優(yōu)，各項功能更加齊全，更能滿足掘進機的使用需求，得到了現(xiàn)場作業(yè)人員的一致好評。該研究對提高掘進機工作效率及作業(yè)安全具有重要意義。