掘進機電氣控制系統的研究

李志達

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

煤炭開采效率與采煤工藝、采煤技術以及綜采設備的自動化程度相關。煤炭開采涉及到巷道的掘進和采煤工作面的推進，二者的速度直接決定著采煤效率。其中，采煤工作面的推進速度主要與采煤機的性能及其配套設備的性能相關；巷道的掘進與掘進機的性能相關，還與巷道的地質、頂底板等情況相關[1]。掘進機作為巷道掘進的主體設備，其機械分系統、液壓分系統以及電控系統的可靠性和穩(wěn)定性直接決定巷道的掘進效率和巷道的成形質量。其中，電氣控制系統作為掘進機的控制核心，其重要性不言而喻。本文著重根據掘進機工作任務完成其相關模塊電氣控制系統的設計。

1 掘進機電氣控制系統需求分析

掘進機電氣控制系統的主要功能為完成掘進機設備的推進和支撐，對截割頭刀盤進行控制，實現掘進機與作業(yè)人員的交互，實現對掘進機的遠程監(jiān)視和控制，并根據掘進機的實時工況對其姿態(tài)進行實時調整。因此，掘進機電氣控制系統需滿足如下生產需求：

1）在掘進過程中將上下兩層8 個支撐靴板支撐在工作井壁上，從而實現對掘進機姿態(tài)的調整，克服截割巖層時產生的反作用力；

2）根據掘進機工控通過實時控制推進油缸活塞桿的反復運動，實現對刀盤的伸出和退回的控制；

3）要求電氣控制系統能夠實時監(jiān)測掘進機的工作狀態(tài)，確保各個分系統運行的安全性和可靠性，尤其是通過姿態(tài)傳感器實時獲取掘進機的工作姿態(tài)，為后續(xù)掘進機的姿態(tài)調整提供支撐桿。

4）為掘進機電氣控制系統配置相應的遠程控制操控臺，實現對掘進機的遠程控制和實時工況的監(jiān)測。要求遠程控制操控臺具有良好的操作和監(jiān)控界面，確保掘進機的可靠運行。

綜上所述，為實現上述掘進機的電氣控制需求，需滿足各模塊的需求，主要包括有液壓控制模塊、刀盤控制模塊、遠程控制模塊、輔助導向模塊、傳感器監(jiān)測和安全保護模塊等[2]。

2 掘進機電氣控制系統的設計

2.1 掘進機電氣控制系統的總體設計

基于對掘進機電氣控制系統需求的分析，設計如圖1 所示的電氣控制系統的總體框架。

圖1 掘進機電氣控制系統總體框架示意圖

如圖1 所示，為了響應掘進機的遠程控制的需求，為掘進機配置兩套遠程監(jiān)控系統。一套位于地面的遠程操作站，另一套位于掘進機操作室的操作站。根據上述控制需求，該電氣控制系統中配置了液壓控制、刀盤控制、人機交互、遠程控制以及導向等五個模塊。為確保掘進機各個模塊的實時通信需求，通過總線控制實現各個模塊的通信功能，主要傳輸的信息包括有傳感器所采集的信息和相關對應的控制指令[3]。

2.2 電氣控制系統PLC 控制器的選型

由于掘進機工作環(huán)境均相對惡劣，井下的各大型機電設備存在電磁干擾的現象。因此，為提升掘進機電氣控制系統的抗干擾能力，為其電氣控制系統配置兩套PLC 控制器。其中，1 號PLC 控制器主要用于對液壓控制模塊的控制；2 號PLC 控制器主要用于對其他模塊的控制[4]。1 號PLC 為從機控制，2號PLC 為主機控制，1 號與2 號PLC 控制器之間基于MODBUS 通訊協議進行信息交互。

結合以往PLC 控制器的選型經驗，以性價比為首要考慮要素，最終選擇PLC 控制器的型號為西門子公司的S7-300 系列的PLC，具體型號為S7-319。根據掘進機電氣控制需求分析結果，為所選型PLC進行了擴展，其對應的CPU 和擴展模塊的選型如表1 所示。

表1 S7-319PLC 對應CPU 和擴展模塊的選型

2.3 電氣控制模塊的設計與實現

電氣控制模塊包括有液壓控制模塊、刀盤控制模塊、人機交互模塊、遠程控制模塊。

2.3.1 液壓控制模塊

液壓控制模塊基于MODBUS 通信總線獲取上位機對液壓元器件的控制指令，基于控制指令實現對液壓泵站油泵、換向閥以及比例閥等液壓元件的控制[5]。為實現對液壓控制模塊的閉環(huán)控制，基于通信總線傳感器所采集到的數據上傳至上位機，并在觸摸液壓顯示屏上顯示。對應的液壓控制模塊的結構如圖2 所示。

2.3.2 刀盤控制模塊

圖2 液壓控制模塊結構示意圖

掘進機刀盤由4 臺電動機進行驅動。多臺電動機對一個機構進行驅動控制需著重考慮其動力的分配，保證各個電機均能夠有效發(fā)揮其性能。掘進機截割頭為整個系統中耗能最大的部件，為達到節(jié)能的效果，基于驅動方案實現變頻器的選型，使得驅動電機能夠實時根據掘進機工況對截割頭的扭矩、轉速等參數進行控制。對應的刀盤控制模塊的結構如圖3 所示。

圖3 刀盤控制模塊的結構示意圖

2.3.3 人機交互模塊

基于人機交互模塊能夠實現對掘進機所有動作的控制，并實時在液晶顯示屏上顯示掘進機的實時運動參數。因此，人機交互模塊包括有操作面板和液晶顯示屏兩個部分。為了確保液晶顯示屏能夠準確顯示掘進機的工作狀態(tài)，為其配置西門子的液晶顯示屏，且分辨率為16:9。操作面板的布局如圖4所示。

圖4 人機交互界面操作面板示意圖

2.3.4 遠程控制模塊

掘進機電氣控制系統遠程控制模塊的核心任務為實現遠程控制站與掘進機之間的通訊。遠程控制站和掘進機之間的通信是基于PLC 的Profibus 通信協議完成的，為PLC 配置了對應的通信模塊和擴展通信模塊，從而實現了遠程控制站和掘進機PLC 控制器之間的物理通信。

遠程控制模塊的界面可實時監(jiān)測配電柜電表參數、模擬主令開關的狀態(tài)、掘進機實時姿態(tài)數據的顯示、溢流閥壓力和油泵流量的設置以及對推進液壓油缸的控制和對掘進機刀盤電機的速度進行控制。

3 結語

掘進機作為煤礦生產中巷道掘進的主體設備，其機械系統、液壓系統以及電氣控制系統的可靠性和穩(wěn)定性直接決定掘進機的掘進效率和巷道的成形質量。因此，需根據掘進機在實際生產中所存在的問題對機械系統中的結構、液壓系統的元器件的選型以及電氣控制系統控制方案進行優(yōu)化，從而達到提升設備可靠性和穩(wěn)定性的目的。針對掘進機電氣控制系統，從液壓控制模塊、刀盤控制模塊、人機交互模塊以及遠程控制模塊等方面完成對其控制方案的優(yōu)化。