煤礦掘進機作業過程中自動控制系統的升級設計研究

荊文剛

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

引言

煤礦掘進機作為井下煤礦開采的關鍵設備，被廣泛應用于井下煤礦開采中[1]。由于煤礦開采量相對較大，保證所使用的掘進機具有較高的開采效率及自動化控制水平，是當前企業提高生產效率的關注點[2]。但由于井下環境相對惡劣，大部分巷道中的光線相對惡劣，巷井高度較低，巷道中的溫度和壓力較高，這給煤礦的開采造成了重要影響。掘進機在作業時也由此產生了較大的控制響應較慢、線路誤報或漏電等異?，F象，導致掘進機經常處于停機狀態來進行故障異常排除及維修，這不僅影響著煤礦的開采效率，也直接影響著企業的經濟效益。為此，對掘進機中的控制系統進行升級設計顯示十分必要。因此，結合掘進機現有的控制系統，對其進行優化升級設計，實現掘進機作業時控制系統的自動化遠程控制，成為當前重要的研究任務和方向。

1 掘進機結構特點及控制系統問題

1.1 掘進機結構特點

當前，掘進機正往著自動化及無人化的方向進行發展，操作人員可通過遠程方式實現對掘進機的遠程操作和控制，根據現場作業情況，對掘進機中截割頭姿態進行控制，以此保證自身作業安全的同時來提高煤礦的開采量[3]。礦用掘進機的結構組成基本相似，以SZD800型礦用掘進機為例，其結構主要包括：回轉臺、截割頭、行走機構、工作機構、鏟板、液壓系統、電氣系統等分部分，其中，回轉臺是掘進機實現自身轉動的支承機構，可使截割臂在垂直及左右方向的擺動，包括了回轉架及回轉軸等零件；工作機構則是實現對井下煤礦開采的執行開采機構，包括了減速箱、截割電機、截割頭等部件。

1.2 現有控制系統存在問題

控制系統是實現掘進機各類操作作業的關鍵系統，在掘進機實際運行過程中，整套控制系統存在諸多問題，包括[4]：

1）控制系統對電流、電壓及功率等參數的采集精度相對較低，運算速度也相對較慢，經常出現信息誤報及延遲等異?，F象；

2）控制系統僅實現了對掘進機中截割部分、行走部分的簡單控制操作，整體檢測及控制功能較為單一；

3）控制系統未設計智能顯示儀表，也無過流、高溫、高壓等保護系統，無法對掘進機運行狀態進行實時顯示；

4）當掘進機出現異常故障時，無法及時對整車實時緊急報警及安全保護。

2 控制系統總體設計

結合當前掘進機控制系統存在問題，以此為基礎，開展了掘進機作業時控制系統的升級研究。所設計的遠程控制包括了電氣控制箱、操作臺、執行系統、傳感檢測、視頻監視系統等組成，電氣控制箱包含了電流傳感器、電壓傳感器、瓦斯濃度傳感器、PLC控制器等，主要安裝于掘進機尾部，可直接與DC24 V電源進行連接。整個控制流程為：終端的油缸位移傳感器、激光測距傳感器、電流傳感器等將采集的信號通過RS485通訊線傳輸至PLC控制從站中，經過數據的分析判斷及處理后利用Profibus總線傳輸至PLC主站中，最終在上機位的顯示分系統中進行掘進機作業參數的實時顯示和控制操作；同時，將分析判斷后的執行命令通過PLC從站發送至油泵電機、截割電機、轉載電機及電磁比例閥等元件中，進度掘進機相關作業姿態的操作[5]。掘進機作業時控制系統框架圖如下頁圖1所示。

圖1 掘進機作業時控制系統框架圖

3 控制系統主要分系統設計

3.1 電氣控制箱的設計

電氣控制箱主要為控制系統提供相應的電源、并接受外部的采集信號，并將采集信號傳輸至PLC控制器中。經過分析處理后的控制命令，經過信號放大后傳輸電磁比例閥中，以分別實現對截割頭伸縮、回轉油缸、各類馬達等部件的操作控制，以此實現對煤礦的開采作業。其中，在控制箱中匹配了CPU224XP和EM235模擬量輸入和輸出模塊；另設計了4個拉線傳感器隔離模塊及24 V開關電源，拉線傳感器隔離模塊的輸出電流信號為4～20 mA，通過KS-X+和KS-X-端子接口與EM235進行連接。整個控制系統中電氣控制箱的結構框架圖如圖2所示。

3.2 控制器選型設計

控制器施整套控制系統中核心，主要負責對采集數據的收集、分析、運算及分析處理等操作，為此，選用了市場上成熟的西門子S7-300型PLC控制器。通過該控制器，可接受來自終端采集單元的電機轉動、油缸移動、工作電流等信號，經過分析處理后，傳輸至控制系統的監控中心進行數據信息顯示及存在，同時，向執行機構發出預設的執行操作。整個PLC控制器采用了2個RS485進行通訊，一端與上機位進行連接，另一端則與下機位進行連接[6]。同時，為有效保證控制系統的整體采集精度及運行效果，選用了224XP型CPU作為PLC中的CPU型號，可支持2個通訊接口和7個擴展模塊接口。由此，完對PLC控制器的選型設計。

圖2 電氣控制箱的結構框架圖

3.3 激光測距儀選型設計

為實現對井下煤石距離的快速測量，在掘進機控制系統中需匹配一種激光測距儀。但由于煤層和巖石對光的反射率具有較大差異，為提高儀器對距離的檢測精度，選用了市場上成熟的工業級DLS-E50型激光測距儀器。該設備具有反射率高、測量距離長等特點，整體的測量距離為0.2～10 m，測量時間小于3 s，利用RS485串行通訊接口進行信號傳輸，工作電壓則采用了DC24V，可直接利用當前控制系統的電壓平臺。DLS-E50型激光測距儀器實物圖如圖3所示。

圖3 DLS-E50型激光測距儀器

3.4 視頻監控分系統設計

在整個掘進機控制系統中設計了一套視頻監控系統，以此來實時掌握掘進機的作業狀態。該視頻監控系統包括了攝像頭、光端機、硬盤及液晶顯示器等，其中，攝像頭分別安裝在掘進機中的左前方、右前方、后部等區域的防爆護罩中，而光端機分別設計在控制箱和監控中心的操作臺中，視頻監控系統的電壓平臺同樣采用了DC24 V。攝像頭所監控到的視頻信號通過視頻先傳輸到控制箱中的光端機中，并轉換為相應的光電信號，利用光纖通訊方式，傳輸至遠程的監控中心的光端機中，并還原為視頻信號，最終存儲在硬盤錄像機中，通過顯示器進行掘進機作業狀態的實時監控顯示。該視頻監控分系統的結構框架圖如圖4所示。

4 控制系統現場應用效果

圖4 視頻監控分系統框架圖

在完成掘進機控制系統的整體設計后，為進一步掌握其系統的綜合性能及運行效果，將其安裝在SZD800型礦用掘進機中進行了現場應用測試，測試周期為6個月。在測試期間，主要對控制系統的視頻監控效果、截割頭姿態控制、設備過流過壓保護、故障異常報警等方面進行了測試。

測試結果表明，該控制系統整體運行良好，能清晰、實時的將掘進機中不同位置的作業姿態進行顯示。同時，通過主顯示界面，將掘進機作業時的電流、功率、電機作業情況等相關信息進行顯示，若掘進機出現了異常，此主界面能及時發出報警提示，并準確地顯示掘進機故障類型及發生位置，此時，人員只需通過操作臺上急停按鈕，即可實現對掘進機的急停操作控制，之后人員將根據故障提示，有針對性地進行故障排除，現場顯示界面圖如圖5所示。整個控制過程無需人員進行現場操作和控制，實現了掘進機作業過程的遠程操作控制。整套控制系統得到了人員的一致好評，達到了預期效果。由此，驗證了此控制系統的可行性。

圖5 控制系統現場監控圖