掘進機控制系統升級改造設計與應用

張 華

（晉能控股裝備制造集團， 山西 晉城 048006）

引言

掘進機是煤炭開采過程中極為重要的設備之一，隨著煤炭需要量的逐年增加，對其工作的安全性和可靠性要求越來越高[1-3]。控制系統作為掘進機的重要組成部分，是保證掘進機實現煤炭掘進功能的基礎，其能否穩定可靠工作，不僅關系井下曠工的生命安全，還與煤炭企業的產煤總量和生產效率息息相關[4]。遠程監控系統作為近年來出現的新技術，適合工作環境比較苛刻、危及人身安全的場合，對于掘進機控制系統改造具有很好的借鑒意義[5-6]。因此，針對某煤炭企業服役中的掘進機控制系統存在的問題，開展遠程監控系統設計工作，通過現場試運行確定遠程監控系統設計的可行性具有重要意義。

1 控制系統存在的問題

某企業服役中的掘進機控制系統使用的核心控制器為PLC，具有很好的控制能力和數據處理能力。而控制系統中使用的控制元器件隨著使用年限的增加性能出現了明顯的下降，在實際應用過程中的表現就是經常出現誤動作、過熱過燒等問題，導致掘進機不能正常連續開展工作，限制著煤炭企業產煤量的進一步提升。與此同時，控制系統誤動作的安全隱患極為嚴重，如掘進機正常工作時的機械運轉出現異常，不僅威脅周圍工作人員的生命安全，還可能對相鄰機械設備產生猛烈撞擊，甚至出現嚴重事故，給煤炭企業帶來巨大的經濟損失。為了解決掘進機原有控制系統存在的諸多問題，提高掘進機工作時的安全性和可靠性，有必要開展掘進機控制系統的改進設計工作。

2 控制系統構成

從解決掘進機原有控制系統存在問題的角度出發，完成了掘進機控制系統的改進設計，其系統構成如圖1 所示，實現了掘進機遠程監控的功能。改進以后的控制系統主要涉及電控系統、執行系統、監測系統、視頻顯示系統。電控系統的組成包括上位機和下位機，上位機負責實時顯示井下掘進機的運行情況，下位機負責采集掘進機實際運行參數，數據分析處理之后傳輸至上位機進行顯示。執行系統負責執行控制系統發出的控制指令，涉及掘進機各個運動軸位姿的調整，如升降、擺動等。監測系統負責實時采集掘進機工作過程中的運行參數，如電機的電壓、電流、壓力等。視頻顯示系統負責采集掘進機工作周圍的環境情況，確保掘進機工作范圍內無人員或者障礙物，以免出現安全事故。

圖1 控制系統構成

3 硬件系統設計

3.1 電氣元件選型

基于掘進機原有控制系統開展改造設計工作，為了進一步提高掘進機控制系統數據處理能力，重新選擇了PLC，具體型號為S7-200，具有足夠的數據采集接口且可擴展，數據處理能力強，足以滿足掘進機遠程監控系統的需求。激光測距儀的作用是實時采集截割頭位姿，因其工作環境極為苛刻，故而可靠性要求較高，綜合各種因素之后選擇激光測距儀的型號是DLS-E50。位置傳感器采用的是直線傳感器，用于監測掘進機各個油缸的動作位移，因掘進機工作時震動較大，選擇拉線傳感器為宜，型號為KS15 一個和KS20 三個。

3.2 電控系統

改進以后的掘進機控制系統主要由PLC 控制器、信號采集系統、顯示器的組成。遠程控制功能的實現由PLC-M1 接口完成，由其接收遠程控制信號，同時，可以將采集得到的狀態信號傳輸至監控中心。控制系統的設計，具備了掘進機運行參數的實時監測和遠程監控功能。

3.3 電氣控制箱

改進掘進機控制系統的電氣控制箱由箱體和背板兩部分組成，如圖2 所示，電器控制箱內配置24V電源、PLC 控制器組件、傳感器及電源接線排等。24V直流電源為改進控制系統各個傳感器供電完成掘進機運行參數的實時采集功能，同時，將采集得到的運行數據傳輸至PLC-M1 進行數據處理，根據數據處理結果及變化趨勢，監控人員可以發出控制指令，實現掘進機遠程控制。

圖2 控制系統電氣控制箱

3.4 視頻顯示系統

改進掘進機控制系統視頻顯示系統的組成包括攝像頭、光端機、刻盤機和顯示器等。工作過程中由攝像頭采集掘進機周圍的各個環境因素，經過視頻傳輸線傳輸至控制箱，再經過光纖傳輸至地面監控中心進行實時顯示，供監控人員實時了解掘進機周圍的工作環境。顯示系統結構如圖3 所示。

圖3 視頻顯示系統

4 軟件設計

4.1 電氣控制程序

改進控制系統中的電氣控制程序的作用是控制掘進機各軸電機的運行狀態，包括啟停控制、過載保護等。具體的電控系統工作流程如圖4 所示。由圖4可以看出，電控系統程序涉及初始化、電壓、截割、轉載、故障檢測等子程序，其中初始化程序主要用于初次啟動及故障重置等；電壓子程序用于監測掘進機運行過程中的各種電壓信號；截割子程序用于監測截割頭的位姿狀態；轉載子程序用于控制掘進機轉載部分的啟停等。

圖4 電控系統控制程序

4.2 功能控制程序

改進掘進機控制系統的功能控制程序主要負責采集信號放大卡輸出電壓及掘進機配置傳感器等信號，具體工作流程如下頁圖5 所示，涉及初始化、AO輸出、傳感器數據采集等子程序。初始化子程序用于監控系統初始啟動或者故障清零；AO 輸出子程序將PLC-M1 端口發出的電壓信號傳送至信號放大卡進行放大處理；傳感器數據采集子程序用于采集激光測距儀、拉線傳感器、電信號等數據，之后傳輸至PLC-M1 端口。

圖5 功能控制程序

4.3 上位機程序

改進掘進機控制系統上位機程序編寫在SIMATIC WINCC6.2 環境下完成，能夠直接與控制系統控制器PLC 對接，實現數據傳輸，與此同時，操作界面的設計環節極為簡便，能夠保障上位機設計工作的順利進行。基于改進掘進機控制系統的需求，完成了掘進機控制系統主界面設計，如圖6 所示。主界面中包括電源電壓、控制電流、截割頭位姿等信息的顯示界面，展示給監控人員掘進機的運行狀態，并可以根據需要修改設置掘進機運行參數，實現掘進機的遠程控制。

圖6 掘進機控制系統主界面

5 應用效果評價

基于原掘進機控制系統存在的問題，完成了掘進機控制系統的改造設計，為了驗證改造以后控制系統的可行性，將其應用于某煤炭企業服役中的掘進機中進行試運行，現場試運行結果表明，改進之后的控制系統運行穩定可靠，實現了掘進機運行狀態實時監測和遠程控制功能。統計結果顯示，改進之后的掘進機控制系統，降低了近12%的故障排查時間，節約了2～3 名設備維保人員，提高了掘進機近10%的有效利用率，降低了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100 萬元/年，取得了很好的應用效果。