掘進機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護

劉樂樂

(山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045300)

引言

某煤礦作業(yè)開采使用的是老式掘進機，該機械采用繼電器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，養(yǎng)護維修不便，自動化水平不高，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)運營需求，需提高和優(yōu)化掘進機系統(tǒng)的功能及構(gòu)造，對掘進機的控制系統(tǒng)進行智能化設(shè)計改造，以確保其在惡劣環(huán)境下可以正常運轉(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)勢在于安裝和編程簡便、安全性能穩(wěn)定、抗干擾性能力強、易于維護等。

1 關(guān)于控制系統(tǒng)設(shè)計問題的研究

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)計的掘進機控制智能分析系統(tǒng)，必須達到智能化要求，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制及數(shù)據(jù)顯示功能，從而實現(xiàn)對整個作業(yè)流程和運轉(zhuǎn)狀況數(shù)據(jù)的監(jiān)測和記錄，先對掘進機的截割過程進行分析，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，計算懸臂運行轉(zhuǎn)角的位置和液壓缸位置以及截切頭坐標三者之間的相關(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行等情況信息，可實現(xiàn)對掘進機的實時監(jiān)測，從而滿足截切自動成型的要求。結(jié)合地質(zhì)環(huán)境特點把智能技術(shù)用于設(shè)備當中，以達到節(jié)約人力和時間的目的。

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

2 關(guān)于掘進機相關(guān)智能設(shè)計的要求

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

掘進機操作一般流程分為：一是準備階段，要做好工作場地不相關(guān)人員的清除工作；二是啟動階段，當電機被啟動后，油泵恒定電壓預(yù)警引發(fā)自動切割后，這時磁閥被啟動；三是低速啟動和電機高速截割[3]。

控制掘進機軟件系統(tǒng)的主要功能包括：一是漏電狀況檢測，主要負責對油泵及電機截割進行漏電檢測，如果發(fā)生漏電就會引發(fā)報警；二是功能保護，用于防止各電機出現(xiàn)過流和超溫、超載等情況。該系統(tǒng)PLC主要負責對油泵和電機切割順序及高低速電機之間的切割互鎖；另外，該系統(tǒng)設(shè)有急停按鈕，確保發(fā)生意外時可以迅速停機，達到保護設(shè)備的目的。掘進機啟動電機流程見圖1。

3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

掘進機系統(tǒng)控制硬件由指示各種功能的信號燈、報警用的聲音報警、報警用的光報警、按鈕、開關(guān)等組成，由于西門子CPU226控制器能夠進行各種功能擴展，靈活、方便，基本能夠?qū)崿F(xiàn)掘進機的智能化控制[4]，所以，本設(shè)計采用西門子PLCS7-200的CPU226控制器作為控制核心。另外，對CPU226進行了功能擴展，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將與上位機電腦以及HMI觸摸屏進行連接，從而達到人機進行交換的最為優(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、具體地反映掘進機的工作狀況，控制更加直觀。系統(tǒng)安全監(jiān)控能夠依據(jù)采集的現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)進行判斷，當出現(xiàn)故障或者危險時，及時發(fā)出報警，操作人員根據(jù)報警采集的信息能夠準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故障進行維修，從而大大提高了掘進機施工效率[5]。

圖1 掘進機啟動電機流程

3.2 程序控制設(shè)計

設(shè)計PLC程序控制的流程工作如2圖所示。從中可以看出掘進機在進行智能改裝后，其工作流程如下：首先要做掘進機工作前的準備，進行自檢系統(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)出故障報警，提醒操作人員處理故障。當自檢結(jié)果正常時，控制人員將啟動掘進機，此時掘進機進入準備工作，如果啟動油泵電機，掘進機將進行液壓油升壓工作，當系統(tǒng)液壓穩(wěn)定后掘進機才能夠進行下一步的工作，5s后掘進機進入低速切割程序(啟動低速切割電機)，再過5s后掘進機進入高速切割程序(啟動高速切割電機)。

圖2 設(shè)計程序流程圖

3.3 抗干擾和安全性設(shè)計

由于掘進機施工環(huán)境非常復(fù)雜，增強、加大掘進機抗干擾及安全性的設(shè)計是非常重要的。在掘進機系統(tǒng)控制里，各種開換、繼電器、PLC、顯示器等電子、電器元件，都安裝于掘進機電控柜里，所以，設(shè)計的電控柜不僅要達到尺寸要求，在設(shè)計的結(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)計的電控柜，在開門時保證電路斷電確保安全，在設(shè)計時安裝開門傳感器，當開門前由于忘記或者別的原因沒有斷開控制柜電源，在打開控制柜門時自動斷開控制柜電源，當關(guān)閉控制柜門時又能自動接通電源，從而保證工作人員的安全。另外，控制柜應(yīng)設(shè)計防震裝置，確保系統(tǒng)不會因為振動造成系統(tǒng)控制的誤操作。除此之外，掘進機為了能夠確保工作時不受干擾，除上述設(shè)計采用的電控柜是防震隔爆外，還有掘進機控制核心PLC程序控制器的選用必須也要具有抗電磁功能[6]，其設(shè)計選用內(nèi)容有：設(shè)計PLC程序控制器必須采用獨立供電電源；

PLC程序控制器傳輸信號的線路不能與動力電源線路一起排列，防止交流頻率影響信號參數(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。

4 控制系統(tǒng)的維護

4.1 元件、電纜的維護

掘進機系統(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，所以必須定期對系統(tǒng)控制進行必要的保養(yǎng)維護，具體工作內(nèi)容如下：

1)檢查掘進機電氣控制元件，首先檢查系統(tǒng)控制的各個熔斷器、主接觸器、接線是否工作正常。檢查系統(tǒng)控制各個功能是否工作正常，檢查報警器是否工作正常。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，對電纜進行測試，測試電纜技術(shù)指標是否達到目前工作要求，檢查電纜工作現(xiàn)場是否出現(xiàn)漏水、滴水現(xiàn)象，電纜外防護是不是經(jīng)過長時間工作已經(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，電纜外防護鎧甲是否能夠承受規(guī)定沖擊力等。

4.2 電機的維護

掘進機設(shè)備的電機是保證掘進機能否正常工作的基礎(chǔ)，所以，對掘進機系統(tǒng)控制的電機進行定期保養(yǎng)、維護非常重要，其具體工作內(nèi)容如下：

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

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

5 結(jié)語

某煤礦掘進機所在地質(zhì)環(huán)境非常惡劣，煤礦掘進機必須具備隔爆、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，本煤礦掘進機已不適應(yīng)工作需求。針對井田地質(zhì)及煤礦工作條件、環(huán)境對現(xiàn)有掘進機進行設(shè)計改造，控制采用智能化系統(tǒng)，使用西門子S7-200PLC編程器進行控制可提高煤礦掘進機在煤炭開采工作中的效率。