王 斌

（潞安集團(tuán)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(jìn)機(jī)作為井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)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(jìn)機(jī)工作效率具有重要作用?，F(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)主要采用簡單的開關(guān)閉鎖和保護(hù)器進(jìn)行控制，缺少系統(tǒng)的控制器和專業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)功能不齊全、數(shù)據(jù)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(jìn)機(jī)的實時診斷和控制。以現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，加快對控制系統(tǒng)的改進(jìn)升級已成為當(dāng)下提高掘進(jìn)機(jī)綜合性能的重要研究方向[1]。因此，以掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成為基礎(chǔ)，通過對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的存在問題進(jìn)行分析，開展了控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計，增加高性能的PLC控制器和高速的以太網(wǎng)通信，并將其在古城煤礦中進(jìn)行了應(yīng)用測試。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)總體綜合性能更優(yōu)，更能滿足掘進(jìn)機(jī)的使用需求。該研究對提高掘進(jìn)機(jī)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(shè)計的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)均具有較高的隔爆防爆功能，根據(jù)不同掘進(jìn)機(jī)的使用工況不同，對其電控箱及電控系統(tǒng)進(jìn)行有針對性地優(yōu)化改進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，主要包括電控箱、操作箱、連鎖功能、電氣主回路、保護(hù)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(hù)主路設(shè)計了報警功能及自動切斷功能，主要負(fù)責(zé)電控系統(tǒng)的運行保護(hù)作用，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一定的故障問題時，保護(hù)主路可通過自身的報警系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)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(hù)措施[2]。另外，在整個電控系統(tǒng)中，設(shè)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(jìn)機(jī)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(jìn)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(hù)作用。

2 現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在的關(guān)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(jìn)機(jī)自身系統(tǒng)的長久運行，現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)控制精度不高、顯示不準(zhǔn)確、線路接線負(fù)責(zé)無法及時排除等故障問題，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)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(jī)保護(hù)器設(shè)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(jìn)機(jī)運行過程中會產(chǎn)生較大的振動現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)保護(hù)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(jìn)行實時顯示，但基本未設(shè)置故障報警燈，無法對故障的具體類型及故障等級進(jìn)行具體顯示。

（3）現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的PLC控制器對掘進(jìn)機(jī)運行過程中的油溫、工作電壓、工作電流等參數(shù)進(jìn)行實時檢測和診斷，但所檢測的參數(shù)數(shù)據(jù)不能形成相互的互鎖，也未進(jìn)行檢測參數(shù)信號等顯示，在智能人機(jī)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(jìn)行實時檢測，并進(jìn)行相關(guān)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(fù)雜等問題，且顯示的精度相對較低，這對后期進(jìn)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(jìn)設(shè)計

3.1 改進(jìn)內(nèi)容確定

結(jié)合現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題，有必要對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)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(jìn)設(shè)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(jī)顯示界面方面，升級設(shè)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(jìn)機(jī)中振動、油泵電機(jī)、水冷電機(jī)、運輸電機(jī)、井下瓦斯?jié)舛?、液位等方面進(jìn)行了更加全面的檢測和系統(tǒng)保護(hù)，由此，確定了掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)需改進(jìn)的內(nèi)容，同時在通訊方面，增加了以太網(wǎng)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(jìn)機(jī)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(jié)合上述確定的控制系統(tǒng)改進(jìn)內(nèi)容，通過對這些內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了控制系統(tǒng)在信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shè)計，整體替代了電機(jī)控制器的控制性能，有效解決了現(xiàn)有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)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(hù)功能，能夠很好地實現(xiàn)設(shè)備的自保護(hù)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

3.3 改進(jìn)總體方案

通過對控制系統(tǒng)改進(jìn)內(nèi)容改進(jìn)后解決的問題進(jìn)行分析，開展了掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)采用了隔爆型電控箱，電源采用交流轉(zhuǎn)直流后的24 V電源，通過前端對振動、井下瓦斯?jié)舛?、掘進(jìn)機(jī)電機(jī)工作電壓、設(shè)備漏電情況、工作溫度等參數(shù)的檢測，將其導(dǎo)入至電控箱中進(jìn)行了信號的分析、判斷，由此，向掘進(jìn)機(jī)中油泵電機(jī)、截割電機(jī)、工作電機(jī)等設(shè)備發(fā)出相應(yīng)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(jié)合的PLC控制器，以此來完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)保護(hù)器設(shè)備；在人機(jī)顯示界面方面，采用了市場上成熟的觸屏方式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，提高了系統(tǒng)的整體操作性能；針對井下多臺掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)，采用了多個控制回路進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)后的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

3.4 信號轉(zhuǎn)換模塊

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

3.5 振動變送器選型

由于掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的高速及長時間運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其在巖巷掘進(jìn)時，經(jīng)常會出現(xiàn)較大程度的振動現(xiàn)象。由于井下掘進(jìn)環(huán)境惡劣，司機(jī)往往無法發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)震動較大，很容易導(dǎo)致設(shè)備故障，對掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的安全運行構(gòu)成了重要威脅。因此，有必要在掘進(jìn)機(jī)上安裝振動變送器，主要安裝在驅(qū)動電機(jī)、截割頭附近，通過采集設(shè)備的振動情況及信號的判斷分析，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)設(shè)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(jìn)行連接，采用電磁感應(yīng)原理來檢測輸出信號，可更加精確地對通風(fēng)機(jī)振動狀態(tài)進(jìn)行檢測，目前在國內(nèi)煤礦設(shè)備振動檢測中應(yīng)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(yīng)強(qiáng)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(jìn)后控制效果分析

為驗證所改進(jìn)的控制系統(tǒng)是否能較好地滿足掘進(jìn)機(jī)的使用需求，將其在古城煤礦中進(jìn)行了為期2個月左右的現(xiàn)場應(yīng)用測試，主要將該控制系統(tǒng)與掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了匹配連接。測試結(jié)果表明，改進(jìn)后的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)各項功能運行正常，數(shù)據(jù)采集精度相對更高，可實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)工作震動、電壓、電流、井下瓦斯?jié)舛鹊刃盘栠M(jìn)行準(zhǔn)確檢測，并將處理后的信號在觸屏顯示界面中進(jìn)行實時顯示，有助于對掘進(jìn)機(jī)的故障進(jìn)行預(yù)測，提升檢修效率，同時針對掘進(jìn)機(jī)運行中出現(xiàn)的各類故障問題，能通過對應(yīng)的故障報警指示燈進(jìn)行直觀顯示，并發(fā)出相應(yīng)的聲音報警。據(jù)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(jìn)機(jī)的檢測及控制性能更佳，大大提高了掘進(jìn)機(jī)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(jié)束語

不斷提高控制系統(tǒng)的綜合性能，是當(dāng)下提高掘進(jìn)機(jī)工作效率的重點改進(jìn)方向。由此，分析了掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，通過對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的存在問題進(jìn)行分析，開展了控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計，確定了改進(jìn)的內(nèi)容及取得的效果，并將其在古城煤礦中進(jìn)行了應(yīng)用測試。測試結(jié)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)工作效率及作業(yè)安全具有重要意義。