礦用掘進機遠程控制系統的設計與應用研究

李翔宇

（晉能控股煤業集團胡底煤業有限公司，山西 晉城 048200）

引言

掘進機是煤礦開采中的重要機械裝備，其運行性能好壞對煤礦開采效率有非常重要的影響。在傳統的煤礦掘進模式中，掘進機需要通過專門的司機對其進行操作，從而完成掘進工作[1]。但煤礦巷道環境相對較為惡劣，在掘進過程中會涌現出大量的瓦斯及其他有毒有害氣體，會對司機的身體健康造成不良影響，嚴重時還會威脅人員的安全[2]。為了解決該問題，國內外很多學者和技術人員都嘗試研究掘進機的遠程控制系統，即通過遠程的方式對掘進機進行控制，現場無需專門人員對其進行操作[3-4]。通過這種方式可以讓控制人員遠離惡劣的操作環境，保障人員的身體健康和人身安全[5]。

1 礦用掘進機結構概述

本文主要以EBZ-160 型礦用掘進機為研究對象，結合實際情況對該型號掘進機的遠程控制系統進行設計和研究，如圖1 所示為該型號掘進機的主要結構示意圖。從圖1 中可以看出，整個掘進機主要由工作機構、鏟板、回轉臺、行走機構、液壓系統、電氣系統、雙鏈板運輸機、后轉載等部分構成。不同結構發揮各自的作用，共同實現掘進機的各項功能。其中電氣系統的作用最為關鍵，是反映掘進機設備性能好壞的重要指標。傳統的掘進機中，即便性能再好的電氣系統，都需要通過操作人員在現場對設備進行操作，通過電氣系統對各種液壓系統和機械系統進行控制，才能實現設備的掘進功能。各種控制模式已經無法滿足煤礦現代化發展的基本需要，本文針對該設備設計研究一種遠程控制系統，實現人機分離，通過遠程方式對設備進行控制。

圖1 EBZ-160 型掘進機的主要結構示意圖

2 掘進機遠程控制系統整體方案設計

2.1 控制系統的整體結構

在分析無人化工作面基本需求的基礎上，對EBZ-160 型掘進機的遠程控制系統整體方案進行了設計研究，如圖2 所示為設計的遠程控制系統整體結構框圖。從圖2 中可以看出，整個控制系統由五大部分構成，分別為電控系統、顯示系統、執行系統、傳感檢測系統和視頻監視系統。除視頻監視系統以外，其他系統全部和PLC 控制器進行連接，將數據傳入PLC 控制器中進行分析并接受PLC 控制器的控制，從而實現掘進機的自動化運行。

圖2 掘進機遠程控制系統的整體結構框圖

2.2 系統的主要構成

1）傳感檢測系統。作用主要是對掘進機各子系統的運行狀態信息進行實時檢測，需要檢測的數據信息包括電機運行電流和電壓值、設備整體姿態信息、截割頭位置信息等，采集得到的信息傳入到PLC控制器中進行分析和處理。

2）控制系統。傳感器采集得到的信息會傳入到控制系統中的PLC 控制器中，根據內置程序對數據信息進行分析處理，得到相關結果并根據結果下達控制指令。所有重要的數據信息都需要傳入到顯示系統中進行實時顯示，以便工作人員及時掌握掘進機的工作狀態。

3）執行系統。執行系統主要通過運動放大卡和比例電磁閥等元器件構成，作用是根據控制系統下達的控制指令對機械結構進行控制，實現掘進機的各種動作，完成掘進工作。

4）視頻監視系統。主要作用是利用高清防爆攝像頭對掘進機進行全方位監控，采集得到的視頻信息通過工業以太網傳輸到控制室，并在顯示屏中實時顯示，操作人員可以通過視頻實時掌握掘進機在巷道中的實際狀態。

5）顯示系統。遠程控制系統中的顯示系統由三臺顯示器組成，其中一臺顯示器主要顯示視頻監視系統傳輸的視頻信息，一臺顯示器顯示掘進機的運行狀態數據信息，這兩臺顯示器放置在遠程控制室。另外，在掘進機中設置一臺顯示器，同樣可以觀察其運行狀態。

3 遠程控制系統主要硬件選型設計

3.1 PLC 控制器選型

由于掘進機需要實現無人化操作，所以對PLC控制器的性能要求相對較高。由于掘進機工作時需要進行運算的量并不是非常大，基于以上實際情況選用的是西門子公司研制生產的S7-300 型PLC 控制器，該型號控制器在工程中得到很多的應用，運行效果較好[6]。S7-300 型PLC 控制器具有很多模塊可以使用，具有豐富的AI 和AO 接口，通過這些接口可以與其它硬件設置進行連接，從而拓展控制器的功能。

如圖3 所示為S7-300 型PLC 控制器的整體結構框圖。由圖3 可知，PLC 控制器主要由電源、CPU和存儲器等元器件構成，其中CPU 是PLC 控制器的核心，其性能好壞對控制器的性能有決定性的影響。在控制器中選用的CPU 型號224XP，該CPU 不僅價格便宜，并且具有良好的運行速度，自帶24 個I/O接口，7 個擴展接口和2 個通信接口。

圖3 PLC 控制器的結構框圖

3.2 傳感器選型

遠程控制系統涉及到很多傳感器，以下主要對激光傳感器和直線位移傳感器進行介紹。

1）激光傳感器。該傳感器的作用主要是測量距離，由于礦井工作環境復雜，對測量結果精度影響的因素相對較多，所以選用的是工業級大功率激光測距儀器。具體而言選用的是DLS-E50 型激光測距儀器，如圖4 所示為該傳感器的實物圖。該傳感器的優勢在于可以實現無接觸測量，且結果精度相對較高，在很多工業領域得到廣泛應用。測量距離可以在0.5～10 m 范圍內，精度可以控制在3 mm 范圍內。

圖4 DLS-E50 型激光測距儀器

2）位移傳感器。該傳感器的主要作用是對掘進機中各機械結構的運動位移大小進行實時檢測，因此需要將傳感器內置到掘進機各油缸內。傳感器的工作屬性決定了該傳感器難以維護保養，對傳感器的性能提出了相對更高的要求，結合實際情況選用的是GUC1200（A）礦用本安型位移傳感器，量程可達到1 200 mm，如圖5 所示為該傳感器的實物圖。

圖5 GUC1200（A）礦用本安型位移傳感器

4 掘進機遠程控制系統的應用效果分析

將以上設計的礦用掘進機遠程控制系統應用到煤礦開采工程實踐中，并對應用效果進行了實踐測試與驗證，對控制系統的實踐運行情況進行了連續六個月時間的觀察與測試。結果發現，在整個測試期間控制系統運行良好穩定，具有很高的可靠性，操作人員可以在遠程操作端對掘進機進行控制，完成相關的掘進工作。

遠程控制系統的成功實踐應用，使得煤礦開采自動化水平得到了顯著提升。與原有的操作模式相比較，人工勞動強度得到顯著降低，且可以很好的保障操作人員的身體健康和人生安全。通過數據對比發現，可以降低人工成本15%以上。由于實現了自動化控制，所以掘進斷面質量得到了明顯提升，遠程控制精確度超過98%，可以對掘進機的行走軌跡進行精準控制，與原有控制模式相比較，行走偏差調節時間縮短30%左右。經過初步統計分析認為，通過使用遠程控制系統，每年可以為煤礦企業創造200 萬元的經濟效益。

5 結語

煤礦開采中掘進機發揮著非常重要的作用，會對煤礦開采效率產生非常重要的影響。掘進機設備的自動化水平會影響整個煤礦企業的自動化水平。本文以EBZ-160 型礦用掘進機為研究對象，結合實際情況設計研究了遠程控制系統，該控制系統的成功實踐應用，實現了掘進機的遠程控制，不僅保障了設備操作人員的身心健康，同時在很大程度上提升了掘進機的運行效率。通過實踐應用測試發現，遠程控制系統的控制精度有了顯著提升，控制效率也得到了很好的改善，每年可以為煤礦企業創造200 萬元的經濟效益。