李志達(dá)

（山西寧武大運(yùn)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(shù)以及綜采設(shè)備的自動(dòng)化程度相關(guān)。煤炭開采涉及到巷道的掘進(jìn)和采煤工作面的推進(jìn)，二者的速度直接決定著采煤效率。其中，采煤工作面的推進(jìn)速度主要與采煤機(jī)的性能及其配套設(shè)備的性能相關(guān)；巷道的掘進(jìn)與掘進(jìn)機(jī)的性能相關(guān)，還與巷道的地質(zhì)、頂?shù)装宓惹闆r相關(guān)[1]。掘進(jìn)機(jī)作為巷道掘進(jìn)的主體設(shè)備，其機(jī)械分系統(tǒng)、液壓分系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性直接決定巷道的掘進(jìn)效率和巷道的成形質(zhì)量。其中，電氣控制系統(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)的控制核心，其重要性不言而喻。本文著重根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作任務(wù)完成其相關(guān)模塊電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)需求分析

掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的主要功能為完成掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的推進(jìn)和支撐，對(duì)截割頭刀盤進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)與作業(yè)人員的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，并根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)工況對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。因此，掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)需滿足如下生產(chǎn)需求：

1）在掘進(jìn)過程中將上下兩層8 個(gè)支撐靴板支撐在工作井壁上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整，克服截割巖層時(shí)產(chǎn)生的反作用力；

2）根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工控通過實(shí)時(shí)控制推進(jìn)油缸活塞桿的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤的伸出和退回的控制；

3）要求電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，確保各個(gè)分系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，尤其是通過姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)獲取掘進(jìn)機(jī)的工作姿態(tài)，為后續(xù)掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整提供支撐桿。

4）為掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)配置相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制操控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)工況的監(jiān)測(cè)。要求遠(yuǎn)程控制操控臺(tái)具有良好的操作和監(jiān)控界面，確保掘進(jìn)機(jī)的可靠運(yùn)行。

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)上述掘進(jìn)機(jī)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(yuǎn)程控制模塊、輔助導(dǎo)向模塊、傳感器監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)模塊等[2]。

2 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)需求的分析，設(shè)計(jì)如圖1 所示的電氣控制系統(tǒng)的總體框架。

圖1 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)總體框架示意圖

如圖1 所示，為了響應(yīng)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制的需求，為掘進(jìn)機(jī)配置兩套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。一套位于地面的遠(yuǎn)程操作站，另一套位于掘進(jìn)機(jī)操作室的操作站。根據(jù)上述控制需求，該電氣控制系統(tǒng)中配置了液壓控制、刀盤控制、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制以及導(dǎo)向等五個(gè)模塊。為確保掘進(jìn)機(jī)各個(gè)模塊的實(shí)時(shí)通信需求，通過總線控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的通信功能，主要傳輸?shù)男畔ㄓ袀鞲衅魉杉男畔⒑拖嚓P(guān)對(duì)應(yīng)的控制指令[3]。

2.2 電氣控制系統(tǒng)PLC 控制器的選型

由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境均相對(duì)惡劣，井下的各大型機(jī)電設(shè)備存在電磁干擾的現(xiàn)象。因此，為提升掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的抗干擾能力，為其電氣控制系統(tǒng)配置兩套PLC 控制器。其中，1 號(hào)PLC 控制器主要用于對(duì)液壓控制模塊的控制；2 號(hào)PLC 控制器主要用于對(duì)其他模塊的控制[4]。1 號(hào)PLC 為從機(jī)控制，2號(hào)PLC 為主機(jī)控制，1 號(hào)與2 號(hào)PLC 控制器之間基于MODBUS 通訊協(xié)議進(jìn)行信息交互。

結(jié)合以往PLC 控制器的選型經(jīng)驗(yàn)，以性價(jià)比為首要考慮要素，最終選擇PLC 控制器的型號(hào)為西門子公司的S7-300 系列的PLC，具體型號(hào)為S7-319。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)電氣控制需求分析結(jié)果，為所選型PLC進(jìn)行了擴(kuò)展，其對(duì)應(yīng)的CPU 和擴(kuò)展模塊的選型如表1 所示。

表1 S7-319PLC 對(duì)應(yīng)CPU 和擴(kuò)展模塊的選型

2.3 電氣控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電氣控制模塊包括有液壓控制模塊、刀盤控制模塊、人機(jī)交互模塊、遠(yuǎn)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(jī)對(duì)液壓元器件的控制指令，基于控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并在觸摸液壓顯示屏上顯示。對(duì)應(yīng)的液壓控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.3.2 刀盤控制模塊

圖2 液壓控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖

掘進(jìn)機(jī)刀盤由4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。多臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)一個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制需著重考慮其動(dòng)力的分配，保證各個(gè)電機(jī)均能夠有效發(fā)揮其性能。掘進(jìn)機(jī)截割頭為整個(gè)系統(tǒng)中耗能最大的部件，為達(dá)到節(jié)能的效果，基于驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)變頻器的選型，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工況對(duì)截割頭的扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行控制。對(duì)應(yīng)的刀盤控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 刀盤控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 人機(jī)交互模塊

基于人機(jī)交互模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)所有動(dòng)作的控制，并實(shí)時(shí)在液晶顯示屏上顯示掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，人機(jī)交互模塊包括有操作面板和液晶顯示屏兩個(gè)部分。為了確保液晶顯示屏能夠準(zhǔn)確顯示掘進(jìn)機(jī)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(jī)交互界面操作面板示意圖

2.3.4 遠(yuǎn)程控制模塊

掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制模塊的核心任務(wù)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制站與掘進(jìn)機(jī)之間的通訊。遠(yuǎn)程控制站和掘進(jìn)機(jī)之間的通信是基于PLC 的Profibus 通信協(xié)議完成的，為PLC 配置了對(duì)應(yīng)的通信模塊和擴(kuò)展通信模塊，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制站和掘進(jìn)機(jī)PLC 控制器之間的物理通信。

遠(yuǎn)程控制模塊的界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電柜電表參數(shù)、模擬主令開關(guān)的狀態(tài)、掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)的顯示、溢流閥壓力和油泵流量的設(shè)置以及對(duì)推進(jìn)液壓油缸的控制和對(duì)掘進(jìn)機(jī)刀盤電機(jī)的速度進(jìn)行控制。

3 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中巷道掘進(jìn)的主體設(shè)備，其機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性直接決定掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率和巷道的成形質(zhì)量。因此，需根據(jù)掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中所存在的問題對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)的元器件的選型以及電氣控制系統(tǒng)控制方案進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提升設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性的目的。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)，從液壓控制模塊、刀盤控制模塊、人機(jī)交互模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊等方面完成對(duì)其控制方案的優(yōu)化。