煤礦掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究

荊文剛

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037003）

引言

煤礦掘進(jìn)機(jī)作為井下煤礦開采的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于井下煤礦開采中[1]。由于煤礦開采量相對(duì)較大，保證所使用的掘進(jìn)機(jī)具有較高的開采效率及自動(dòng)化控制水平，是當(dāng)前企業(yè)提高生產(chǎn)效率的關(guān)注點(diǎn)[2]。但由于井下環(huán)境相對(duì)惡劣，大部分巷道中的光線相對(duì)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(jìn)機(jī)在作業(yè)時(shí)也由此產(chǎn)生了較大的控制響應(yīng)較慢、線路誤報(bào)或漏電等異常現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)經(jīng)常處于停機(jī)狀態(tài)來進(jìn)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(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，對(duì)掘進(jìn)機(jī)中的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)顯示十分必要。因此，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，成為當(dāng)前重要的研究任務(wù)和方向。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)問題

1.1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

當(dāng)前，掘進(jìn)機(jī)正往著自動(dòng)化及無人化的方向進(jìn)行發(fā)展，操作人員可通過遠(yuǎn)程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程操作和控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，對(duì)掘進(jìn)機(jī)中截割頭姿態(tài)進(jìn)行控制，以此保證自身作業(yè)安全的同時(shí)來提高煤礦的開采量[3]。礦用掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成基本相似，以SZD800型礦用掘進(jìn)機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)主要包括：回轉(zhuǎn)臺(tái)、截割頭、行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、鏟板、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等分部分，其中，回轉(zhuǎn)臺(tái)是掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自身轉(zhuǎn)動(dòng)的支承機(jī)構(gòu)，可使截割臂在垂直及左右方向的擺動(dòng)，包括了回轉(zhuǎn)架及回轉(zhuǎn)軸等零件；工作機(jī)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)對(duì)井下煤礦開采的執(zhí)行開采機(jī)構(gòu)，包括了減速箱、截割電機(jī)、截割頭等部件。

1.2 現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在問題

控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各類操作作業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)，在掘進(jìn)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，整套控制系統(tǒng)存在諸多問題，包括[4]：

1）控制系統(tǒng)對(duì)電流、電壓及功率等參數(shù)的采集精度相對(duì)較低，運(yùn)算速度也相對(duì)較慢，經(jīng)常出現(xiàn)信息誤報(bào)及延遲等異常現(xiàn)象；

2）控制系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)中截割部分、行走部分的簡(jiǎn)單控制操作，整體檢測(cè)及控制功能較為單一；

3）控制系統(tǒng)未設(shè)計(jì)智能顯示儀表，也無過流、高溫、高壓等保護(hù)系統(tǒng)，無法對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

4）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)異常故障時(shí)，無法及時(shí)對(duì)整車實(shí)時(shí)緊急報(bào)警及安全保護(hù)。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)存在問題，以此為基礎(chǔ)，開展了掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)控制系統(tǒng)的升級(jí)研究。所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制包括了電氣控制箱、操作臺(tái)、執(zhí)行系統(tǒng)、傳感檢測(cè)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等組成，電氣控制箱包含了電流傳感器、電壓傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌LC控制器等，主要安裝于掘進(jìn)機(jī)尾部，可直接與DC24 V電源進(jìn)行連接。整個(gè)控制流程為：終端的油缸位移傳感器、激光測(cè)距傳感器、電流傳感器等將采集的信號(hào)通過RS485通訊線傳輸至PLC控制從站中，經(jīng)過數(shù)據(jù)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(jī)位的顯示分系統(tǒng)中進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)作業(yè)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和控制操作；同時(shí)，將分析判斷后的執(zhí)行命令通過PLC從站發(fā)送至油泵電機(jī)、截割電機(jī)、轉(zhuǎn)載電機(jī)及電磁比例閥等元件中，進(jìn)度掘進(jìn)機(jī)相關(guān)作業(yè)姿態(tài)的操作[5]。掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)控制系統(tǒng)框架圖如下頁圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)控制系統(tǒng)框架圖

3 控制系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制箱的設(shè)計(jì)

電氣控制箱主要為控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的電源、并接受外部的采集信號(hào)，并將采集信號(hào)傳輸至PLC控制器中。經(jīng)過分析處理后的控制命令，經(jīng)過信號(hào)放大后傳輸電磁比例閥中，以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)截割頭伸縮、回轉(zhuǎn)油缸、各類馬達(dá)等部件的操作控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的開采作業(yè)。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(shè)計(jì)了4個(gè)拉線傳感器隔離模塊及24 V開關(guān)電源，拉線傳感器隔離模塊的輸出電流信號(hào)為4～20 mA，通過KS-X+和KS-X-端子接口與EM235進(jìn)行連接。整個(gè)控制系統(tǒng)中電氣控制箱的結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示。

3.2 控制器選型設(shè)計(jì)

控制器施整套控制系統(tǒng)中核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)采集數(shù)據(jù)的收集、分析、運(yùn)算及分析處理等操作，為此，選用了市場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、油缸移動(dòng)、工作電流等信號(hào)，經(jīng)過分析處理后，傳輸至控制系統(tǒng)的監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息顯示及存在，同時(shí)，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出預(yù)設(shè)的執(zhí)行操作。整個(gè)PLC控制器采用了2個(gè)RS485進(jìn)行通訊，一端與上機(jī)位進(jìn)行連接，另一端則與下機(jī)位進(jìn)行連接[6]。同時(shí)，為有效保證控制系統(tǒng)的整體采集精度及運(yùn)行效果，選用了224XP型CPU作為PLC中的CPU型號(hào)，可支持2個(gè)通訊接口和7個(gè)擴(kuò)展模塊接口。由此，完對(duì)PLC控制器的選型設(shè)計(jì)。

圖2 電氣控制箱的結(jié)構(gòu)框架圖

3.3 激光測(cè)距儀選型設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)井下煤石距離的快速測(cè)量，在掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中需匹配一種激光測(cè)距儀。但由于煤層和巖石對(duì)光的反射率具有較大差異，為提高儀器對(duì)距離的檢測(cè)精度，選用了市場(chǎng)上成熟的工業(yè)級(jí)DLS-E50型激光測(cè)距儀器。該設(shè)備具有反射率高、測(cè)量距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，整體的測(cè)量距離為0.2～10 m，測(cè)量時(shí)間小于3 s，利用RS485串行通訊接口進(jìn)行信號(hào)傳輸，工作電壓則采用了DC24V，可直接利用當(dāng)前控制系統(tǒng)的電壓平臺(tái)。DLS-E50型激光測(cè)距儀器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 DLS-E50型激光測(cè)距儀器

3.4 視頻監(jiān)控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以此來實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)狀態(tài)。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括了攝像頭、光端機(jī)、硬盤及液晶顯示器等，其中，攝像頭分別安裝在掘進(jìn)機(jī)中的左前方、右前方、后部等區(qū)域的防爆護(hù)罩中，而光端機(jī)分別設(shè)計(jì)在控制箱和監(jiān)控中心的操作臺(tái)中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電壓平臺(tái)同樣采用了DC24 V。攝像頭所監(jiān)控到的視頻信號(hào)通過視頻先傳輸?shù)娇刂葡渲械墓舛藱C(jī)中，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電信號(hào)，利用光纖通訊方式，傳輸至遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心的光端機(jī)中，并還原為視頻信號(hào)，最終存儲(chǔ)在硬盤錄像機(jī)中，通過顯示器進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。該視頻監(jiān)控分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

圖4 視頻監(jiān)控分系統(tǒng)框架圖

在完成掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步掌握其系統(tǒng)的綜合性能及運(yùn)行效果，將其安裝在SZD800型礦用掘進(jìn)機(jī)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期為6個(gè)月。在測(cè)試期間，主要對(duì)控制系統(tǒng)的視頻監(jiān)控效果、截割頭姿態(tài)控制、設(shè)備過流過壓保護(hù)、故障異常報(bào)警等方面進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，能清晰、實(shí)時(shí)的將掘進(jìn)機(jī)中不同位置的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行顯示。同時(shí)，通過主顯示界面，將掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)的電流、功率、電機(jī)作業(yè)情況等相關(guān)信息進(jìn)行顯示，若掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)了異常，此主界面能及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，并準(zhǔn)確地顯示掘進(jìn)機(jī)故障類型及發(fā)生位置，此時(shí)，人員只需通過操作臺(tái)上急停按鈕，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的急停操作控制，之后人員將根據(jù)故障提示，有針對(duì)性地進(jìn)行故障排除，現(xiàn)場(chǎng)顯示界面圖如圖5所示。整個(gè)控制過程無需人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和控制，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程的遠(yuǎn)程操作控制。整套控制系統(tǒng)得到了人員的一致好評(píng)，達(dá)到了預(yù)期效果。由此，驗(yàn)證了此控制系統(tǒng)的可行性。

圖5 控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控圖