全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計*

岳亞軍

(中國煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

煤礦快速掘進(jìn)技術(shù)在世界范圍內(nèi)已得到大量實際應(yīng)用，且在掘進(jìn)技術(shù)、裝備及施工工藝上都取得了很大的進(jìn)步。但是在井下快速掘進(jìn)施工中，由于受地質(zhì)條件變化和推進(jìn)長度的影響，諸多技術(shù)瓶頸沒有突破。我院研制的MJJ3800×5800全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)是機(jī)、電、液高度集成的礦用掘進(jìn)設(shè)備，全斷面一次成巷且可實現(xiàn)掘支平衡，在掘進(jìn)過程中設(shè)備運行平穩(wěn)、振動小，操作人員均在后平臺作業(yè)，不僅提高了巷道的成巷質(zhì)量和掘進(jìn)效率，同時也保證了機(jī)內(nèi)操作人員的人身安全。

全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要由礦用多回路組合開關(guān)、PLC控制器、電液控制系統(tǒng)、計算機(jī)操作系統(tǒng)、遙控操作系統(tǒng)和視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)組成，有遙控器操作、本地操作、遙控操作3種操作方式。設(shè)備具有高度的集成化、自動化水平，提高了快速掘進(jìn)機(jī)的操作性和掘進(jìn)效率，保障了設(shè)備的成巷質(zhì)量。

1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

電氣控制系統(tǒng)主要設(shè)計了掘進(jìn)機(jī)自身所需的動力控制、邏輯控制、監(jiān)測監(jiān)控、通信、照明、激光陀螺導(dǎo)向等子系統(tǒng)，同時也考慮了掘進(jìn)機(jī)與后配套系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)工藝設(shè)備的閉鎖關(guān)系，以及斷前級電源等邏輯功能。總電控系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計原理

動力控制由3 300 V的8回路高壓組合開關(guān)和1 140 V 12回路組合開關(guān)構(gòu)成，其中3 300 V組合開關(guān)主要控制8個截割電動機(jī)的啟停、保護(hù)和狀態(tài)返回。1 140 V控制液壓泵站電動機(jī)、水系統(tǒng)電動機(jī)、潤滑系統(tǒng)電動機(jī)和刮板運輸系統(tǒng)電動機(jī)的啟停、保護(hù)和狀態(tài)返回。

掘進(jìn)機(jī)的所有邏輯控制由安裝在隔爆兼本安型控制箱內(nèi)的西門子S7-300系列PLC執(zhí)行。掘進(jìn)機(jī)內(nèi)有3個信號采集控制箱執(zhí)行各液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的傳感器信號采集和比例閥、開關(guān)閥、電動球閥的控制。

無線發(fā)射器和遙控接收機(jī)共同組成遙控操作系統(tǒng)，由計算機(jī)監(jiān)控主機(jī)和顯示器組成的計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行控制命令、運行狀態(tài)監(jiān)測和顯示。監(jiān)測監(jiān)控由多參數(shù)傳感器、濕度傳感器和紅外二氧化碳傳感器組成，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)環(huán)境檢測和瓦斯報警、斷電功能。

語音對講和擴(kuò)播系統(tǒng)由通信信號分機(jī)、IP網(wǎng)絡(luò)廣播終端組成；由礦用本安型攝像儀、直流穩(wěn)壓電源等組成視頻監(jiān)控系統(tǒng)；礦用本安型千兆環(huán)網(wǎng)接入器構(gòu)成核心的信息傳輸系統(tǒng)[1]。

激光慣組導(dǎo)向系統(tǒng)和設(shè)備上安裝的角度傳感器實時監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)的動作，為操作人員的方向控制提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

同時，考慮到掘進(jìn)機(jī)和后配套設(shè)備的關(guān)系設(shè)備上，預(yù)留著與后配套系統(tǒng)運行閉鎖的控制節(jié)點以及其需要的控制電源。

1.2 系統(tǒng)特點

1) 系統(tǒng)化分塊設(shè)計。由于掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部所涉及的子控制系統(tǒng)較多，為了便于管理、集中控制，同時提高設(shè)備檢修維護(hù)效率，系統(tǒng)按功能采用分塊化設(shè)計。

2) 采用通信的控制方式。主控制系統(tǒng)采用西門300系列PLC和哈威電液控制模塊，利用通信控制掘進(jìn)機(jī)上所有的比例閥，實現(xiàn)同時采集設(shè)備上的各個傳感器信號。主機(jī)PLC與上位計算機(jī)通過環(huán)網(wǎng)接入器，采用以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通信的控制方式可減少系統(tǒng)中的控制線纜和控制模塊數(shù)量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和設(shè)備的簡潔化程度。

3) 設(shè)備通過機(jī)載的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)與井下大環(huán)網(wǎng)以千兆光口連接，可實時、高速地將設(shè)備的運行狀態(tài)及機(jī)內(nèi)的視頻信號傳輸至地面。使得在地面可以遠(yuǎn)程監(jiān)控到設(shè)備的使用情況，同時可以實現(xiàn)在地面對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和維護(hù)，從而實現(xiàn)了掘進(jìn)設(shè)備的首次遠(yuǎn)程操作維護(hù)。

2 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)保護(hù)控制

動力系統(tǒng)主要由3 300 V 8回路高壓組合開關(guān)和1 140 V 12回路真空電磁起動器組成[2]。這2臺組合開關(guān)具有就地、遠(yuǎn)程兩種控制方式，可實現(xiàn)各電動機(jī)正常啟動、正常停車、保護(hù)停車、緊急停車等規(guī)定程序控制；并且有電動機(jī)工作狀態(tài)檢測、保護(hù)和顯示單元，可以顯示實時電壓、電流值、三相功率、開關(guān)狀態(tài)、保護(hù)動作狀態(tài)以及相應(yīng)的故障診斷功能；此外，具有RS485，Profibus等通信接口，可將上述控制和保護(hù)信息外引上傳與主站PLC協(xié)調(diào)工作。本系統(tǒng)中的2臺組合開關(guān)均通過Profibus的通信協(xié)議與主控PLC進(jìn)行通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程單動、聯(lián)動啟停各個電動機(jī)，同時采集各電動機(jī)的運行狀態(tài)。

2.2 邏輯控制系統(tǒng)

邏輯控制系統(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)的控制大腦在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，控制箱配備西門子S7-300 PS307電源模塊、CPU315中央處理單元、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬輸入模塊、CP341 RS485通信模塊；哈威PLVC21閥控由基礎(chǔ)模塊、礦用非安轉(zhuǎn)本安網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量隔離安全柵、模擬量隔離安全柵等器件構(gòu)成[2]。它們共同完成開關(guān)量、模擬量信息輸入、輸出和總線傳輸以及邏輯控制功能。同時控制箱提供工業(yè)以太網(wǎng)和RS485、Profibus-DP、Canopen現(xiàn)場總線等通信接口與其他電控設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。設(shè)備主控通信如圖2所示。

圖2 主控通信示意圖

2.3 閥控制和數(shù)據(jù)采集

根據(jù)設(shè)備的控制要求，機(jī)器內(nèi)分布式應(yīng)設(shè)置3臺采集控制箱，其中，1#箱、2#箱設(shè)置于后平臺中部大梁下面，主要控制采集1#、2#液壓泵站及其相關(guān)的比例閥、油缸傳感器等；3#箱設(shè)置于截割部右殼體內(nèi)，主要控制采集3#液壓系統(tǒng)及其相關(guān)的電控閥、油缸傳感器等。

采集控制箱由電源模塊、閥控模塊、信號隔離柵組成，以哈威CANIO14閥控模塊為核心器件，將各種隔爆或本安傳感器的信息采集輸入(本安信號經(jīng)過隔離式安全柵轉(zhuǎn)發(fā))，并轉(zhuǎn)發(fā)給PLC箱；該模塊根據(jù)接收到的PLC指令，執(zhí)行驅(qū)動電磁閥。每個控制模塊最多可以輸入6路模擬量信號、2路開關(guān)量信號；輸出8路模擬量非安控制信號。每個采集控制箱安裝3個控制模塊。

采集控制箱通過CAN總線與PLC箱連接，實現(xiàn)有線雙向半雙工通信。采集控制箱設(shè)計有急停控制觸點。正常工作時，急停繼電器吸合；若控制箱接收到急停指令，則進(jìn)入急停狀態(tài)，繼電器斷開，停止輸出端口的所有輸出。

2.4 遙控控制系統(tǒng)

FJYS-40ⅰ型礦用隔爆兼本安型遙控接收機(jī)是以北京海德信通科技有限公司生產(chǎn)的RX-ES-SL-FB無線接收機(jī)為核心器件，與GL4-K-EX-I-FB本安型無線發(fā)射器或GL-K-EX-I本安型無線發(fā)射器配套。接收機(jī)與礦用PLC控制器及計算機(jī)共同構(gòu)建控制系統(tǒng)。

無線接收機(jī)通過天線和隔離電容接收發(fā)射器指令，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線傳達(dá)給礦用PLC或計算機(jī)；反之，礦用PLC或計算機(jī)發(fā)生指令、信息通過現(xiàn)場總線傳達(dá)給無線接收機(jī)，再經(jīng)過隔離電容和天線發(fā)射，在遙控發(fā)射器的指示燈或顯示屏顯示。當(dāng)無線信號不暢時，接收器同時具備有線功能，用線纜將發(fā)射器與接收機(jī)連接即可實現(xiàn)有線通信。

2.5 運行控制

掘進(jìn)機(jī)控制運行操作方式的首選是遙控發(fā)射器即手持遙控器，其次是遠(yuǎn)控臺防爆計算機(jī)，再次是機(jī)內(nèi)防爆計算機(jī)。各個操作之間實現(xiàn)互鎖功能。

遠(yuǎn)控臺設(shè)置有礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機(jī)1臺，顯示器2臺及礦用本安型鍵盤2臺，共同組成完整的2套計算機(jī)系統(tǒng)[3]。此外，還設(shè)置了礦用IP網(wǎng)絡(luò)廣播終端和隔爆型急停按鈕。

本地控制臺布置在掘進(jìn)機(jī)內(nèi)，設(shè)置有礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機(jī)1臺，礦用本安型顯示器1臺，與礦用本安型鍵盤組成完整的計算機(jī)系統(tǒng)。此外，還設(shè)置了礦用通信信號裝置分機(jī)；隔爆型急停按鈕。

遙控發(fā)射器與遙控接收機(jī)組成遙控系統(tǒng)。

2.6 導(dǎo)向測量系統(tǒng)

激光慣組導(dǎo)向系統(tǒng)實時監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)的動作姿態(tài)，其激光慣組導(dǎo)向系統(tǒng)與主控PLC以RS485的通信方式實時將3個姿態(tài)角傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)再結(jié)合設(shè)備的實際動作換算出設(shè)備的空間坐標(biāo)，隨著設(shè)備的掘進(jìn)形成實時曲線，通過觀察實時曲線和設(shè)計曲線的偏差值指導(dǎo)操作人員及時進(jìn)行方向修正，同時在設(shè)備的殼體和平臺各安裝有一套角度傳感器，以監(jiān)測設(shè)備的俯仰角和滾動角。

3 電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計及操作

全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件部分主要包括上位機(jī)組態(tài)編程和西門S7-300 PLC軟件編程兩部分[4]。

3.1 上位機(jī)組態(tài)王編程

通過組態(tài)王編程軟件編寫系統(tǒng)的操控界面，其組態(tài)王操控界面即“全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)”集中控制系統(tǒng)操控界面，主要由主界面和分項系統(tǒng)、1 140 V回路、3 300 V回路、電控閥箱、歷史數(shù)據(jù)、實時報警、系統(tǒng)設(shè)置等界面共同組成，主要監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)的集中控制系統(tǒng)操控界面

主界面包含全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)正常操作所需的全部控制和信息，操作人員可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的操作，并能夠查看到主要設(shè)備和部件的運行信息。主界面中每個矩形框內(nèi)表達(dá)一個設(shè)備或一組設(shè)備的狀態(tài)、信息和控制。主控制界面內(nèi)主要包括了設(shè)備的掘進(jìn)姿態(tài)角度、液壓系統(tǒng)的運行情況及參數(shù)、截割部的電動機(jī)的電流和運行狀態(tài)、刮板機(jī)的運行電流狀態(tài)以及噴霧冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)。除了主界面外右側(cè)還有7項子系統(tǒng)界面可更好地輔助操作人員進(jìn)行正確的設(shè)備操作。

3.2 S7-300 PLC編程軟件

主控邏輯程序是控制軟件系統(tǒng)的核心部分，對系統(tǒng)內(nèi)各受控件實行精準(zhǔn)控制，可實現(xiàn)設(shè)備的邏輯聯(lián)動控制，又可實現(xiàn)各部件的單動控制，同時采集電壓、電流、壓力、溫度、液位等控制信號，為設(shè)備的可靠和穩(wěn)定運行提供依據(jù)。S7-300可編程控制器采用西門子PLC專用編程軟件V14以梯形圖的方式進(jìn)行邏輯控制軟件的編寫[5]。軟件部分共有FB程序塊55個、FC程序塊42個，涉及中間變量約2 000多個。因為系統(tǒng)大部分采用通信的控制方式，在軟件中對各個通過通信讀寫的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分區(qū)定義。

3.3 設(shè)備的操作

掘進(jìn)機(jī)有遙控器和計算機(jī)兩種操作方式，計算機(jī)操作又分為遠(yuǎn)控計算機(jī)、本地計算機(jī)兩種操作方式。遠(yuǎn)控計算機(jī)、本地計算機(jī)兩種操作方式完全一致。掘進(jìn)機(jī)正常采用本地計算機(jī)操作。計算機(jī)通電啟動完畢，系統(tǒng)會自動進(jìn)入“組態(tài)王運行界面”，使用用戶名及密碼進(jìn)入掘進(jìn)機(jī)操作界面。設(shè)備的邏輯控制和操作如圖4所示。

圖4 全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)控制操作流程

4 結(jié)論

全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)在哈拉溝煤礦井下試驗3個多月，電氣控制系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)和功能要求均得到了驗證。設(shè)備工業(yè)性試驗以來,電控系統(tǒng)性能穩(wěn)定、故障率低，得到了礦方的一致好評。尤其設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)技術(shù)在現(xiàn)場也得已實現(xiàn),提高了設(shè)備的維護(hù)和處理問題的效率，實現(xiàn)了掘進(jìn)設(shè)備首次可遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，為后續(xù)掘進(jìn)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。