EBZ140-S20型掘进机电气控制系统设计

王洪海

（阜新矿业（集团）有限责任公司，辽宁阜新 123000）

0 引言

煤矿作为一种重要的化石能源，为我国社会与经济的发展提供了强有力的支撑。掘进机作为一种重要的煤矿开采设备，其可靠性对煤矿的生产具有重要影响。电气控制系统可保障掘进机在井下高温、高湿度或者强电磁干扰的环境中工作[1]。因此，需要不断研究提高掘进机工作效率的方法，而电气控制系统则可以极大提高相关设备的工作效率。

在原有电气控制系统的基础上进行改进，可以提高设备的自动化水平。电气控制系统的管理核心是PLC可编程控制器，根据掘进机在施工作业过程中的特点，设计了掘进机电气控制系统。相较于原电气控制系统，该控制系统具有响应时间迅速、可靠性更高、适用性更强等特点。

自动化与智能化一直以来都是掘进机的发展方向，其中电气控制系统的自动化是一个重要的研究领域。电气自动化主要解决设备操作效率的问题，自动控制系统可以帮助操作人员完成相关的机械动作的控制，并由此极大地提高煤矿的生产效率。对EBZ140－S20型掘进机电气控制系统的总体进行更新升级，有助于提高煤矿生产效率，提高设备的可靠性。

1 EBZ140－S20型掘进机

EBZ140－S20型掘进机是一种性能优越、可靠性好且结构紧凑的掘进机，广泛应用于煤矿企业中，其结构主要包括电气系统、液压系统、走行部、回转支撑平台等。该型掘进机可用于切割任意形状断面的煤层，最大截割高度为6.2 m，宽度为7 m，单向抗压强度小于或等于130 MPa，适应工作最大坡度为±18°，机器的主体尺寸为9 510 mm×2 900 mm×1 850 mm[2]。

掘进机重要部件的功能介绍如下。

（1）工作机构：主要负责在掘进过程中对煤岩的截割，主要结构包括截割头、截割部件的减速器、动作驱动电机等。

（2）回转台：连接掘进机截割部件与主体结构之间的重要部件，主要结构包括回转架与回转座，可相对于主机架旋转。

（3）走行部：该型掘进机的走行部采用的是2条履带式传动机构，越野性能好，同时在走行部上布置了控制工作结构的液压系统。

其余的电气、冷却等辅助系统不再一一列举[3]。

2 可编程控制器PLC

随着计算机微处理器技术发展，PLC（Programma⁃ble Logic Controllers）被广泛应用于煤矿、石油、冶炼、制造加工等行业，目前已经成为工业自动化领域控制系统核心部分，在简易控制器中使用广泛。

PLC的功能越来越强大，现在PLC控制系统包含有丰富的模拟接口和信号接口，使其应用范围得到了极大拓宽。主流的PLC厂家，包括德国西门子、日本欧姆龙等，国内的PLC厂商有数十家，其产品性能也日趋稳定。PLC产品向着小型化、集成化等方向发展，产品性能、控制模型等都有了较大的提升。

PLC控制器具有较好的可靠性、稳定性等，其主要具有如下几个特点。

（1）稳定性强。PLC控制器硬件与软件结构相对简单，性能优越，可适应煤矿井下作业的环境，同时具备较强的抗干扰能力。

（2）功能丰富。PLC控制器其性能逐渐丰富起来，一般除了具有较强的逻辑运算能力和常规的控制以外，还具有自我诊断、自我保护等功能。

（3）兼容性好。由于通信接口以及各连接接口之间都形成了统一的标准，在同一个系统中使用不同品牌的PLC控制器仍然具有较好的兼容性，同时也比较容易实现。PLC控制器的成本较低，使用与维护方便，大大降低了企业的生产经营成本[4]。

3 系统需求分析

掘进机的电气控制系统核心组成部件，电气控制系统对掘进机运行动作的控制以及掘进机的掘进机构动作、液压支撑系统的支撑动作。该系统具备有远程监控、远程控制、掘进机状态调整等功能，具有人机交互能力，监控人员可以通过掘进机人机交互系统实现对掘进机状态的控制。

该型掘进机的破岩刀分别由多台电机驱动，因此需要控制器对不同电机的动作进行协调控制；控制系统也可以调整掘进机的姿态与动作，掘进机各部件的动作控制均由实际采集的数据分析计算，反馈出控制变量值。下面对控制系统中不同控制模块需求做简要说明。

（1）液压模块

液压系统是掘进过程中重要的动力控制元件，在掘进机的工作过程中，主要负责完成掘进机的移动、运动控制、结构的运转等功能，是掘进机控制系统中不可或缺的重要部分。

（2）刀盘模块

掘进机的刀盘控制，对设备作业效率有重要的影响，在作业中需要不断对截割部动作进行调整，并通过刀盘电机控制刀盘的转速，从而对掘进中的岩层特点的变化做出及时调整。

（3）远程控制模块

远程控制系统与其他控制系统相互兼容，各子系统之间数据相互共享，远程控制系统具有人机交互的操作界面。该控制系统可在掘进机发生一些常见故障时，自主做出判断，并对设备进行控制。

（4）安全监控模块

安全监控模块主要负责对掘进机的状态进行监控，并可以根据智能化掘进控制系统对掘进机的状态进行调整，具有被动安全保护措施。当传感器采集的数据产生严重的偏差时，安全监控模块可发出警报，是整个控制系统中重要的组成部分[5]。

4 系统总体架构

EBZ140－S20型掘进机电气控制系统的总体结构设计如图1所示，该系统中包括位于地面的远程控制中心和随机操作与控制中心。根据各子模块的功能的不同，可以将整套控制系统划分为液压控制系统、安全监控系统、远程控制模块、液压模块与人机交互模块。下面对系统的主要模块的结构做简要说明[6]。

图1 系统整体架构

（1）主机控制结构

掘进机电气控制系统的整体结构采用的是主、副2套PLC控制器，2套相对独立的控制器，确保了整机控制器的可靠性。主机PLC控制器主要负责掘进机各传感器数据的采集、动作控制指令的发出，可以根据控制命令对掘进机的运行做出控制与调整。

（2）控制系统通信结构

图2所示为电气控制系统显示界面，PLC控制器之间和PLC与地面控制中心之间采用有线工业互联网通信技术；在掘进机作业环境较差，为了适应掘进机工作的需要，在掘进机端布置无线通信技术，提高了掘进机的掘进效率。

图2 电气控制系统显示界面

（3）PLC接口扩展模块

在设计PLC控制器的设计阶段，需要考虑应对未来需求增加的情况，因此PLC控制器拓展了多个信号接口，主要用于接入各种传感器。同时接入了控制系统的主开关、模式选择开关等，PLC与远程监控系统相互连接，实现对掘进机在远程控制模式下的实时监控与控制[7]。

5 系统功能实现

根据EBZ140－S20型掘进机电气控制系统的总体结构设计，构建了掘进机的电气控制系统，该电气控制系统主要实现的功能包括两大部分。一是掘进机远程数据的监测与控制，二是掘进机终端动作控制的系统程序。最后对掘进机电气控制系统性能进行了测试，由于篇幅所限，在此以电气控制系统为例做简要介绍[8]。

如图2所示，该状态下可显示主刀盘控制电机、主泵、副泵、联合泵等监测数据，包括设备的转速、电流、电压等值。可视化的信息显示，有助于直观地了解掘进机的工作状态。该电气控制系统还可显示掘进机举升、摆动液压缸的行程与压力情况，显示各传感器实时监控数据，各设备的通信状态等信息。

6 结束语

掘进机在采矿业中扮演着重要角色，迫切需要提高掘进机工作效率，本文以EBZ140－S20掘进机为研究对象，设计了一套全新的电气控制系统。该控制系统实现了对掘进机的状态监控与其动作控制，初步实现对掘进机走行机构、摆臂以及举升液压系统的监控与控制，同时实现了对刀盘掘进量、转速的监测与控制。在后期的实际应用中电控系统提高了掘进机开采的效率，该设计对掘进机的电气控制系统的设计具有积极参考意义。