礦用掘進機控制系統改進設計

王 斌

（潞安集團古城煤礦，山西長治 046108）

0 引言

隨著現代控制水平的不斷提升，各行各業控制系統的綜合性能均取得了較快發展。掘進機作為井下作業的關鍵設備，使用環境惡劣，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。現有的掘進機控制系統主要采用簡單的開關閉鎖和保護器進行控制，缺少系統的控制器和專業的數據監控系統，在使用過程中經常出現功能不齊全、數據采集精度較低、系統故障發生率高等問題，無法實現對掘進機的實時診斷和控制。以現有掘進機控制系統為研究基礎，將先進技術應用到控制系統中，加快對控制系統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，以掘進機控制系統結構組成為基礎，通過對現有控制系統的存在問題進行分析，開展了控制系統的改進設計，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，該控制系統總體綜合性能更優，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安全具有重要意義。

1 控制系統組成

目前，市場上所設計的掘進機控制系統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進行有針對性地優化改進。掘進機電控系統結構相當復雜，主要包括電控箱、操作箱、連鎖功能、電氣主回路、保護主路等。電控箱是整套系統的核心部分，是整個系統的控制大腦，控制著整套系統的正常運行；系統保護主路設計了報警功能及自動切斷功能，主要負責電控系統的運行保護作用，當系統出現一定的故障問題時，保護主路可通過自身的報警系統發出相應的故障報警，并采取臨時中斷系統或完全切斷系統的保護措施[2]。另外，在整個電控系統中，設計了隔爆照明的專用燈、緊急停車按鍵等。整體來說，現有的掘進機電控系統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需求，也對井下作業安全起到了較好的保護作用。

2 現有控制系統存在的關鍵問題

隨著井下作業環境的不斷改變和惡化，加上掘進機自身系統的長久運行，現有的掘進機控制系統在使用過程中，經常出現控制精度不高、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安全，其主要故障問題如下[3-4]。

（1）現有的控制系統中，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象，導致電機保護器的緊固螺釘出現了松動或掉落現象。

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

（4）控制系統雖能對參數進行實時檢測，并進行相關參數的統計記錄，但在顯示功能方面，存在數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的故障排查造成了一定困難。

3 控制系統改進設計

3.1 改進內容確定

結合現有掘進機控制系統存在的問題，有必要對控制系統進行優化改進研究。在整個控制系統優化過程中，主要考慮了系統中PLC控制器及系統模塊化的改進設計，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顯示燈、報警指示燈，優化了顯示界面[5]。另外，在控制系統中，對掘進機中振動、油泵電機、水冷電機、運輸電機、井下瓦斯濃度、液位等方面進行了更加全面的檢測和系統保護，由此，確定了掘進機控制系統需改進的內容，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定性，方便后期掘進機控制系統作為子系統納入智能礦井平臺。

3.2 解決的問題

結合上述確定的控制系統改進內容，通過對這些內容進行改進，大大提高了控制系統在信號采集、數據轉換、信號處理及命令執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，有效解決了現有控制系統結構復雜、線路繁瑣等問題，方便了后期對系統故障的快速排查及維修問題。另外，改進后的控制系統，大大提高了系統整體的控制精度及可靠性，增加了系統的綜合保護功能，能夠很好地實現設備的自保護。

圖1 掘進機控制系統總體結構框架圖

3.3 改進總體方案

通過對控制系統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的改進設計。改進后的控制系統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、井下瓦斯濃度、掘進機電機工作電壓、設備漏電情況、工作溫度等參數的檢測，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、工作電機等設備發出相應的控制命令，實現對這些部件的快速控制[6]。同時，在系統中采用了BH9與4AD相結合的PLC控制器，以此來完全代替傳統電機保護器設備；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，提高了系統的整體操作性能；針對井下多臺掘進機設備的控制系統，采用了多個控制回路進行統計管理控制，包括信號采集單元、信號處理單元、信號執行單元、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，規范了控制系統的控制性能。由此，建立了改進后的掘進機控制系統，其結構框架圖如圖1所示。

3.4 信號轉換模塊

該控制系統中，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，對該系統中的信號轉換進行了設計。現有的控制系統中主要采用電機綜合保護器來實現信號轉換，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，經常會出現較大程度的振動現象。由于井下掘進環境惡劣，司機往往無法發現掘進機震動較大，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的精密測量電路、振動傳感器等，并直接與PLC、DC等系統進行連接，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個月左右的現場應用測試，主要將該控制系統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各項功能運行正常，數據采集精度相對更高，可實現對掘進機工作震動、電壓、電流、井下瓦斯濃度等信號進行準確檢測，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，并發出相應的聲音報警。據現場作業人員介紹，該控制系統與傳統系統相比，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，驗證了該控制系統的有效性。

5 結束語

不斷提高控制系統的綜合性能，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的結構組成，通過對現有控制系統的存在問題進行分析，開展了控制系統的改進設計，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，該控制系統總體綜合性能更優，各項功能更加齊全，更能滿足掘進機的使用需求，得到了現場作業人員的一致好評。該研究對提高掘進機工作效率及作業安全具有重要意義。