掘进机电气控制系统的研究

李志达

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司， 山西 宁武 036700）

引言

煤炭开采效率与采煤工艺、采煤技术以及综采设备的自动化程度相关。煤炭开采涉及到巷道的掘进和采煤工作面的推进，二者的速度直接决定着采煤效率。其中，采煤工作面的推进速度主要与采煤机的性能及其配套设备的性能相关；巷道的掘进与掘进机的性能相关，还与巷道的地质、顶底板等情况相关[1]。掘进机作为巷道掘进的主体设备，其机械分系统、液压分系统以及电控系统的可靠性和稳定性直接决定巷道的掘进效率和巷道的成形质量。其中，电气控制系统作为掘进机的控制核心，其重要性不言而喻。本文着重根据掘进机工作任务完成其相关模块电气控制系统的设计。

1 掘进机电气控制系统需求分析

掘进机电气控制系统的主要功能为完成掘进机设备的推进和支撑，对截割头刀盘进行控制，实现掘进机与作业人员的交互，实现对掘进机的远程监视和控制，并根据掘进机的实时工况对其姿态进行实时调整。因此，掘进机电气控制系统需满足如下生产需求：

1）在掘进过程中将上下两层8 个支撑靴板支撑在工作井壁上，从而实现对掘进机姿态的调整，克服截割岩层时产生的反作用力；

2）根据掘进机工控通过实时控制推进油缸活塞杆的反复运动，实现对刀盘的伸出和退回的控制；

3）要求电气控制系统能够实时监测掘进机的工作状态，确保各个分系统运行的安全性和可靠性，尤其是通过姿态传感器实时获取掘进机的工作姿态，为后续掘进机的姿态调整提供支撑杆。

4）为掘进机电气控制系统配置相应的远程控制操控台，实现对掘进机的远程控制和实时工况的监测。要求远程控制操控台具有良好的操作和监控界面，确保掘进机的可靠运行。

综上所述，为实现上述掘进机的电气控制需求，需满足各模块的需求，主要包括有液压控制模块、刀盘控制模块、远程控制模块、辅助导向模块、传感器监测和安全保护模块等[2]。

2 掘进机电气控制系统的设计

2.1 掘进机电气控制系统的总体设计

基于对掘进机电气控制系统需求的分析，设计如图1 所示的电气控制系统的总体框架。

图1 掘进机电气控制系统总体框架示意图

如图1 所示，为了响应掘进机的远程控制的需求，为掘进机配置两套远程监控系统。一套位于地面的远程操作站，另一套位于掘进机操作室的操作站。根据上述控制需求，该电气控制系统中配置了液压控制、刀盘控制、人机交互、远程控制以及导向等五个模块。为确保掘进机各个模块的实时通信需求，通过总线控制实现各个模块的通信功能，主要传输的信息包括有传感器所采集的信息和相关对应的控制指令[3]。

2.2 电气控制系统PLC 控制器的选型

由于掘进机工作环境均相对恶劣，井下的各大型机电设备存在电磁干扰的现象。因此，为提升掘进机电气控制系统的抗干扰能力，为其电气控制系统配置两套PLC 控制器。其中，1 号PLC 控制器主要用于对液压控制模块的控制；2 号PLC 控制器主要用于对其他模块的控制[4]。1 号PLC 为从机控制，2号PLC 为主机控制，1 号与2 号PLC 控制器之间基于MODBUS 通讯协议进行信息交互。

结合以往PLC 控制器的选型经验，以性价比为首要考虑要素，最终选择PLC 控制器的型号为西门子公司的S7-300 系列的PLC，具体型号为S7-319。根据掘进机电气控制需求分析结果，为所选型PLC进行了扩展，其对应的CPU 和扩展模块的选型如表1 所示。

表1 S7-319PLC 对应CPU 和扩展模块的选型

2.3 电气控制模块的设计与实现

电气控制模块包括有液压控制模块、刀盘控制模块、人机交互模块、远程控制模块。

2.3.1 液压控制模块

液压控制模块基于MODBUS 通信总线获取上位机对液压元器件的控制指令，基于控制指令实现对液压泵站油泵、换向阀以及比例阀等液压元件的控制[5]。为实现对液压控制模块的闭环控制，基于通信总线传感器所采集到的数据上传至上位机，并在触摸液压显示屏上显示。对应的液压控制模块的结构如图2 所示。

2.3.2 刀盘控制模块

图2 液压控制模块结构示意图

掘进机刀盘由4 台电动机进行驱动。多台电动机对一个机构进行驱动控制需着重考虑其动力的分配，保证各个电机均能够有效发挥其性能。掘进机截割头为整个系统中耗能最大的部件，为达到节能的效果，基于驱动方案实现变频器的选型，使得驱动电机能够实时根据掘进机工况对截割头的扭矩、转速等参数进行控制。对应的刀盘控制模块的结构如图3 所示。

图3 刀盘控制模块的结构示意图

2.3.3 人机交互模块

基于人机交互模块能够实现对掘进机所有动作的控制，并实时在液晶显示屏上显示掘进机的实时运动参数。因此，人机交互模块包括有操作面板和液晶显示屏两个部分。为了确保液晶显示屏能够准确显示掘进机的工作状态，为其配置西门子的液晶显示屏，且分辨率为16:9。操作面板的布局如图4所示。

图4 人机交互界面操作面板示意图

2.3.4 远程控制模块

掘进机电气控制系统远程控制模块的核心任务为实现远程控制站与掘进机之间的通讯。远程控制站和掘进机之间的通信是基于PLC 的Profibus 通信协议完成的，为PLC 配置了对应的通信模块和扩展通信模块，从而实现了远程控制站和掘进机PLC 控制器之间的物理通信。

远程控制模块的界面可实时监测配电柜电表参数、模拟主令开关的状态、掘进机实时姿态数据的显示、溢流阀压力和油泵流量的设置以及对推进液压油缸的控制和对掘进机刀盘电机的速度进行控制。

3 结语

掘进机作为煤矿生产中巷道掘进的主体设备，其机械系统、液压系统以及电气控制系统的可靠性和稳定性直接决定掘进机的掘进效率和巷道的成形质量。因此，需根据掘进机在实际生产中所存在的问题对机械系统中的结构、液压系统的元器件的选型以及电气控制系统控制方案进行优化，从而达到提升设备可靠性和稳定性的目的。针对掘进机电气控制系统，从液压控制模块、刀盘控制模块、人机交互模块以及远程控制模块等方面完成对其控制方案的优化。