基于PLC 的EBZ22 型礦用掘進機電氣控制系統的改造設計

劉 濤

（山西潞安集團潞寧忻峪煤業有限公司， 山西 寧武 036706）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，諸多煤礦設備被應用到了煤礦開采中。掘進機憑借高穩定性、高效率的優點，設備得到了廣泛的應用[1]。但由于井下環境相對惡劣，具有空氣潮濕、瓦斯濃度較高、壓力較大等問題，設備的各類信號也易受外部信號干擾，這要求掘進機作業時需具有較高的穩定性和自動化控制水平，才能更好地適應井下煤礦的開采任務。為此，有必要對采用當前更加成熟先進的控制技術，對掘進機電氣控制系統進行優化改進升級[2]。

1 當前掘進機電氣控制系統存在問題分析

由于井下環境的特殊性，諸多煤礦設備在井下長時間作業，除了其設備結構出現不同程度的結構失效問題，設備的電氣控制系統也存在較多問題，其中，掘進機中的電氣控制系統問題較為突出[3]：

1）較多掘進機電氣控制系統仍采用傳統的控制模式，存在數據傳輸速度慢、傳輸信號不穩定、設備異常故障報警欠缺等問題，在電氣故障維修方面將會花費大量時間；

2）設備中電氣控制板中元器件的質量無法有效保障，自身抗干擾性、抗震性、電磁兼容性相對較弱，導致電路的運行相對不可靠；

3）電氣控制系統的控制水平相對較弱，與國外的掘進機相比，存在較大差異；

4）設備的自動化及遠程控制水平較低，無法實現對設備各類信號參數的實時檢測，以及設備各類操作的有效控制。針對設備出現故障問題，需首先進行設備停機操作，再對故障問題進行逐一排查，整個故障排除及維修所消耗的時間及費用相對較高，嚴重影響著煤礦的開采效率。

為此，充分利用當前更加先進的控制技術，對掘進機電氣控制系統進行升級改造，如將PLC 控制器應用到該控制系統中，實現整個電控系統的自動化控制，提高系統的穩定及可靠性，已成為當前煤礦設備系統改造的重要發展方向。

2 控制系統硬件改造設計

2.1 PLC 控制器應用改造

結合EBZ22 型掘進機電氣控制系統使用中存在問題，開展了其控制系統中電機主回路硬件電路的改造設計。主回路控制電路板主要由低壓控制變壓器、真空交流接觸器、真空開關等組成，為實現該電路中各信號的快速采集及實時控制，保障報警提示，選用了市場上成熟的PLC 控制器進行可編程控制，所改造的電路部分包括了數據轉換、電路采集、PCU微控、復位電路等部分[4]。在改造過程中，選用了電流傳感器和電壓傳感器來對電機運行電流進行實時采集，經過對采集信號的整定后，通過變壓器和A/D 數字轉換模塊，將信號快速轉換為數字信號，并傳輸至PLC 控制器中進行處理，在PLC 控制器中經過數據的對比、判斷后，將最終信號進行輸出操作，其中，所選用的A/D 轉換模塊選用了12 位的采集模塊，具有精度高、運行穩定可靠等特點，可有效提高整個改造電路的穩定性及安全性。整個PLC 控制器的控制原理框架圖如下頁圖1 所示。

2.2 CAN 總線應用改造設計

根據煤礦現場的工作特點，為保證所傳輸信號免受外部信號干擾，在滿足煤礦通訊安全要求及技術標準前提下，選用了當前成熟且應用廣泛的CAN總線通訊進行整個控制系統的總線控制，而CAN 總線具有傳輸距離較遠、傳輸速度較快、總線利用率高、抗干擾性強等特點。所選用的CAN 總線選用了雙絞線進行通訊，可同時滿足超過30 臺掘進機設備的數據通訊需求，內部主要通過差分方式進行通訊，其中，所匹配的CAN 總線接收器中PCB82C250 和TJA1050 模塊的最大電流范圍為70 mA 和50 mA，電壓范圍為4～5.5 V，具有一定常見性，所需電源可由原有控制系統的電源模塊直接提供，安裝操作相對簡單[5]。另外，為實現與CAN 總線的較好通訊，選用了本安型CANbridge 網橋和本安型CANET-E 型網關設備進行信號接收及轉換。

圖1 PLC 控制器控制原理框架圖

3 數據采集模塊改造設計

對電控系統的數據采集精度及速度進行升級改造，是提升掘進機控制系統的重要方向，對改善設備的運行穩定及可靠性具有重要作用[6]。在該采集電路設計中，設置了初始化模塊、信號處理模塊，其中，初始化模塊包括了定時器、I/O 端口、中斷優先級等，信號處理模塊則包括了數據收集、非關鍵參數過濾、參數運算等，主要通過配備的M222 控制器模塊進行功能實現。數據采集模塊的控制流程為：首先對設備的工作電流進行實時采集，經過A/D 數字轉換后，通過專門的過濾軟件，對干擾信號進行過濾排除，此過程即為多次采樣，經過數據判斷后去除最大和最小值，利用求平均值算法，實現對有效樣本數據的采集輸出。控制電路的采集流程圖如圖2 所示。

4 系統漏電改造

當前控制系統在運行過程中，時常會出現局部漏電問題，系統的絕緣性存在較大漏洞。為此，對EBZ22 型掘進機電控系統的漏電問題進行了改造設計。為此，在原有電路基礎上，設計了一個具有絕緣電阻檢測的EL3 的漏電繼電器和一對常開接點ELX，當系統處于漏電狀態時，ELX 常開接點會處于閉合狀態，通過漏電繼電器對系統中各個電路回路進行電阻檢測；而在故障排除后主回路重新啟動時，整個電路檢測回路則停止檢測運行。在該電路中，若檢測到絕緣電阻值低于正常值時，EL3 檢測其則會延時3 s 及禁止主電路啟動，并將故障信號傳輸至PLC 中進行實時故障控制及顯示。該漏電檢測保護電路所用電壓為DC24V，可直接與現有的電源模塊進行通訊連接，電源獲取較為簡單。由此，可實現整個電控系統的漏電絕緣保護，保障設備運行安全。

圖2 系統中采樣原理圖

5 測試效果評價

結合前文對掘進機電氣控制系統的改造，將其在EBZ22 型掘進機中進行了實際應用測試，測試周期為5 個月。在測試期間，改造后的掘進機控制系統除了實現自身的設備操作控制外，整體數據的獲取速度明顯加快，采集數據的準確性相對更高，所繪制的曲線中干擾信號明顯較少；經過檢測后，系統出現的漏電問題期間，整個回路處于停止運行狀態，在故障排除后，電路方才重新啟動操作。改造后的系統運行達到了掘進機自動、安全操作要求，使得掘進機的正常作業時間同比提高了將近40%，故障檢修時間縮短。據掘進機技術及市場人員估算，該控制系統的成功改造，每年可直接或間接給企業帶來將近50 萬元/臺的經濟收入，效果較為明顯。由此，驗證了改造后系統的可靠性及可行性。