EBZ140-S20型掘進機電氣控制系統設計

王洪海

（阜新礦業（集團）有限責任公司，遼寧阜新 123000）

0 引言

煤礦作為一種重要的化石能源，為我國社會與經濟的發展提供了強有力的支撐。掘進機作為一種重要的煤礦開采設備，其可靠性對煤礦的生產具有重要影響。電氣控制系統可保障掘進機在井下高溫、高濕度或者強電磁干擾的環境中工作[1]。因此，需要不斷研究提高掘進機工作效率的方法，而電氣控制系統則可以極大提高相關設備的工作效率。

在原有電氣控制系統的基礎上進行改進，可以提高設備的自動化水平。電氣控制系統的管理核心是PLC可編程控制器，根據掘進機在施工作業過程中的特點，設計了掘進機電氣控制系統。相較于原電氣控制系統，該控制系統具有響應時間迅速、可靠性更高、適用性更強等特點。

自動化與智能化一直以來都是掘進機的發展方向，其中電氣控制系統的自動化是一個重要的研究領域。電氣自動化主要解決設備操作效率的問題，自動控制系統可以幫助操作人員完成相關的機械動作的控制，并由此極大地提高煤礦的生產效率。對EBZ140－S20型掘進機電氣控制系統的總體進行更新升級，有助于提高煤礦生產效率，提高設備的可靠性。

1 EBZ140－S20型掘進機

EBZ140－S20型掘進機是一種性能優越、可靠性好且結構緊湊的掘進機，廣泛應用于煤礦企業中，其結構主要包括電氣系統、液壓系統、走行部、回轉支撐平臺等。該型掘進機可用于切割任意形狀斷面的煤層，最大截割高度為6.2 m，寬度為7 m，單向抗壓強度小于或等于130 MPa，適應工作最大坡度為±18°，機器的主體尺寸為9 510 mm×2 900 mm×1 850 mm[2]。

掘進機重要部件的功能介紹如下。

（1）工作機構：主要負責在掘進過程中對煤巖的截割，主要結構包括截割頭、截割部件的減速器、動作驅動電機等。

（2）回轉臺：連接掘進機截割部件與主體結構之間的重要部件，主要結構包括回轉架與回轉座，可相對于主機架旋轉。

（3）走行部：該型掘進機的走行部采用的是2條履帶式傳動機構，越野性能好，同時在走行部上布置了控制工作結構的液壓系統。

其余的電氣、冷卻等輔助系統不再一一列舉[3]。

2 可編程控制器PLC

隨著計算機微處理器技術發展，PLC（Programma?ble Logic Controllers）被廣泛應用于煤礦、石油、冶煉、制造加工等行業，目前已經成為工業自動化領域控制系統核心部分，在簡易控制器中使用廣泛。

PLC的功能越來越強大，現在PLC控制系統包含有豐富的模擬接口和信號接口，使其應用范圍得到了極大拓寬。主流的PLC廠家，包括德國西門子、日本歐姆龍等，國內的PLC廠商有數十家，其產品性能也日趨穩定。PLC產品向著小型化、集成化等方向發展，產品性能、控制模型等都有了較大的提升。

PLC控制器具有較好的可靠性、穩定性等，其主要具有如下幾個特點。

（1）穩定性強。PLC控制器硬件與軟件結構相對簡單，性能優越，可適應煤礦井下作業的環境，同時具備較強的抗干擾能力。

（2）功能豐富。PLC控制器其性能逐漸豐富起來，一般除了具有較強的邏輯運算能力和常規的控制以外，還具有自我診斷、自我保護等功能。

（3）兼容性好。由于通信接口以及各連接接口之間都形成了統一的標準，在同一個系統中使用不同品牌的PLC控制器仍然具有較好的兼容性，同時也比較容易實現。PLC控制器的成本較低，使用與維護方便，大大降低了企業的生產經營成本[4]。

3 系統需求分析

掘進機的電氣控制系統核心組成部件，電氣控制系統對掘進機運行動作的控制以及掘進機的掘進機構動作、液壓支撐系統的支撐動作。該系統具備有遠程監控、遠程控制、掘進機狀態調整等功能，具有人機交互能力，監控人員可以通過掘進機人機交互系統實現對掘進機狀態的控制。

該型掘進機的破巖刀分別由多臺電機驅動，因此需要控制器對不同電機的動作進行協調控制；控制系統也可以調整掘進機的姿態與動作，掘進機各部件的動作控制均由實際采集的數據分析計算，反饋出控制變量值。下面對控制系統中不同控制模塊需求做簡要說明。

（1）液壓模塊

液壓系統是掘進過程中重要的動力控制元件，在掘進機的工作過程中，主要負責完成掘進機的移動、運動控制、結構的運轉等功能，是掘進機控制系統中不可或缺的重要部分。

（2）刀盤模塊

掘進機的刀盤控制，對設備作業效率有重要的影響，在作業中需要不斷對截割部動作進行調整，并通過刀盤電機控制刀盤的轉速，從而對掘進中的巖層特點的變化做出及時調整。

（3）遠程控制模塊

遠程控制系統與其他控制系統相互兼容，各子系統之間數據相互共享，遠程控制系統具有人機交互的操作界面。該控制系統可在掘進機發生一些常見故障時，自主做出判斷，并對設備進行控制。

（4）安全監控模塊

安全監控模塊主要負責對掘進機的狀態進行監控，并可以根據智能化掘進控制系統對掘進機的狀態進行調整，具有被動安全保護措施。當傳感器采集的數據產生嚴重的偏差時，安全監控模塊可發出警報，是整個控制系統中重要的組成部分[5]。

4 系統總體架構

EBZ140－S20型掘進機電氣控制系統的總體結構設計如圖1所示，該系統中包括位于地面的遠程控制中心和隨機操作與控制中心。根據各子模塊的功能的不同，可以將整套控制系統劃分為液壓控制系統、安全監控系統、遠程控制模塊、液壓模塊與人機交互模塊。下面對系統的主要模塊的結構做簡要說明[6]。

圖1 系統整體架構

（1）主機控制結構

掘進機電氣控制系統的整體結構采用的是主、副2套PLC控制器，2套相對獨立的控制器，確保了整機控制器的可靠性。主機PLC控制器主要負責掘進機各傳感器數據的采集、動作控制指令的發出，可以根據控制命令對掘進機的運行做出控制與調整。

（2）控制系統通信結構

圖2所示為電氣控制系統顯示界面，PLC控制器之間和PLC與地面控制中心之間采用有線工業互聯網通信技術；在掘進機作業環境較差，為了適應掘進機工作的需要，在掘進機端布置無線通信技術，提高了掘進機的掘進效率。

圖2 電氣控制系統顯示界面

（3）PLC接口擴展模塊

在設計PLC控制器的設計階段，需要考慮應對未來需求增加的情況，因此PLC控制器拓展了多個信號接口，主要用于接入各種傳感器。同時接入了控制系統的主開關、模式選擇開關等，PLC與遠程監控系統相互連接，實現對掘進機在遠程控制模式下的實時監控與控制[7]。

5 系統功能實現

根據EBZ140－S20型掘進機電氣控制系統的總體結構設計，構建了掘進機的電氣控制系統，該電氣控制系統主要實現的功能包括兩大部分。一是掘進機遠程數據的監測與控制，二是掘進機終端動作控制的系統程序。最后對掘進機電氣控制系統性能進行了測試，由于篇幅所限，在此以電氣控制系統為例做簡要介紹[8]。

如圖2所示，該狀態下可顯示主刀盤控制電機、主泵、副泵、聯合泵等監測數據，包括設備的轉速、電流、電壓等值。可視化的信息顯示，有助于直觀地了解掘進機的工作狀態。該電氣控制系統還可顯示掘進機舉升、擺動液壓缸的行程與壓力情況，顯示各傳感器實時監控數據，各設備的通信狀態等信息。

6 結束語

掘進機在采礦業中扮演著重要角色，迫切需要提高掘進機工作效率，本文以EBZ140－S20掘進機為研究對象，設計了一套全新的電氣控制系統。該控制系統實現了對掘進機的狀態監控與其動作控制，初步實現對掘進機走行機構、擺臂以及舉升液壓系統的監控與控制，同時實現了對刀盤掘進量、轉速的監測與控制。在后期的實際應用中電控系統提高了掘進機開采的效率，該設計對掘進機的電氣控制系統的設計具有積極參考意義。