煤矿掘进机电气控制系统的应用研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：年度陕西省职业技术教育学会一般课题（）作者简介：白林飞（），男，陕西神木人，讲师，硕士，现从事教学工作。引用格式：白林飞，贾艳敏 煤矿掘进机电气控制系统的应用研究 能源与环保，（）：，（）：煤矿掘进机电气控制系统的应用研究白林飞，贾艳敏（神木职业技术学院，陕西 神木 ）摘要：电气控制系统是保障煤矿掘进机正常工作的重要基础。以煤矿中典型的 型掘进机为研究对象，在概述电气控制系统基本需求的基础上，对系统的整体方案进行设计，方案整体分为 部分，分别为远程操作站和掘进机操作站，前者设置在矿井地面，可对掘进机进行远程控制和监视。系统中使用的 控制器型号为 系列，设置有主机 和从机 ，两者之间通过 通信总线进行数据交互。对系统中的主要硬件模块及其实现进行了详细介绍。将设计的电气控制系统应用到掘进机工程实践中，单月进尺由 提升到了 ，效率大幅度提升，经济效益显著。关键词：煤矿；掘进机；电气控制系统；控制器中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；现阶段高效率煤矿开采时离不开掘进机，但是煤矿环境较为复杂，比如矿井环境通常温度较高、电磁干扰较强等，对掘进机的各项性能提出了非常高的要求 。电气控制系统是掘进机的重要构成部分，其性能优劣直接决定着掘进机的运行稳定性与可靠性 。要保证掘进机在恶劣的煤矿环境下工作，就必须有性能较好地电气控制系统 。为提升煤矿掘进机的自动化甚至智能化水平，我国技术人员和学者针对掘进机的电气控制系统开展了一定的研究，并获得了一定的成果，对于促进煤炭行业发展具有一定的现实意义 。宋娟等 基于 控制器研究了矿用掘进机的控制平台，通过实践应用发现达到了很好的效果。王烈等 对矿用掘进机的电控系统进行了分析与设计，并对设计的系统应用到实践中，同样达到了预期效果。李淑玲等 以矿用掘进机为研究对象，对设备的自动截割控制系统进行了深入分析与研究，通过工程应用发现效果很好。本文以煤矿中常用的 型掘进机为对象，基于先进的 控制技术，设计研究了设备的电气控制系统，并将其应用到煤矿工程实践中，经现场调试应用，发现控制系统达到了预期效果。书书书 年第 期白林飞，等：煤矿掘进机电气控制系统的应用研究第 卷 电气控制系统整体方案设计 系统基本需求概述掘进机的机械结构非常复杂，如此复杂的机械结构需要通过电气控制系统进行驱动，才能实现各项功能，所以掘进机中电气控制系统是重要构成部分 。比如电气控制系统需要对刀盘速度进行控制，实现设备的人机互动，对液压推进和支撑过程进行控制，实现远程控制与监视，对设备姿态进行调整等 。所述的掘进机其刀盘结构通过台电机及其配套的减速机构进行驱动，台电机分别配备有变频器，要求可以对 台变频器实现同步控制，刀盘旋转速度可在 内根据实际情况调整。控制系统的操作台设置在地面上，可实现对井下掘进机设备的远程监视和远程控制，要求距离可以达到 。基于姿态传感器模块对掘进机姿态进行实时监测，结果反馈至主控制器中，经过分析后下达指令，通过对支撑油缸的控制实现设备姿态的调整。设备操作台和远程操作台上均设置有交互界面，可以实现掘进机就地操作和远程操作 。整体方案设计掘进机电气控制系统的整体方案如图 所示。由图 可知，整个系统划分成为 大部分，分别为远程操作站和掘进机操作站。其中，前者设置在矿井地面，后者设置在设备上。个操作站均可以对掘进机进行控制，达到远程控制和就地控制的效果。系统设置有两个 控制器，即主机 和从机 ，个 控制器各有分工，同时工作。操作台上各种开关的状态以及 传感器和甲烷传感器的数据，通过数字量和模拟量扩展模块传入主机 中进行分析，其他传感器的检测结果同样通过数字量和模拟量扩展模块输入到从机 控制器中。采用 控制器的主从结构，不仅能显著提升系统运行的稳定性和可靠性，还便于后期的维护保养 。个控制器均配备有触摸屏，可以实现人机交互。图 掘进机电气控制系统的整体方案 电气控制系统主要硬件设计 可编程控制器设计对于掘进机电气控制系统而言，可编程逻辑控制器是最重要的硬件设施，其性能好坏直接影响系统的综合性能 。目前市场上有几百种类型的 控制器，考虑到系统需求以及 控制器性能，最终使用的是 系列 控制器，具体型号为 。该型号控制器整体体积较小，且具有防爆功能，适合应用在煤矿领域。的 拥有多点接口（）和 接口的数量均为 个，利用 接口可以与触摸屏进行连接，利用 年第 期能源与环保第 卷 接口可以与另一个 进行连接，还可以与变频器进行连接。控制器硬件方面采用模块化设计，整个控制器由不同模块构成，控制器不同模块的型号及其数量如图 所示。是控制器的核心部分，其他模块均围绕 实现对应的功能，模块型号为 ，个；电源模块型号为 ，个；模拟量输入模块型号为 ，个；模拟量输出模块型号为 ，个；数字量输入模块型号为 ；数字量输出模块的型号为 ；通信扩展模块的型号为 。图 控制器不同模块的型号及其数量 液压控制模块设计液压控制模块主要接受主机 控制器的指令，将传感器采集到的数据信息上传至 ，并在监视屏幕上显示。掘进机工作时，前、后、左、右支撑油缸动作以及刀盘推进动作都由液压系统完成，支撑油缸和推进油缸的数量分别为 个和 个。支撑油缸的作用是调节掘进机的姿态，刀盘推进油缸的作用是克服设备工作时岩壁对刀盘的反作用力。该模块虽然接受主机 的控制指令，但是程序运行在从机 中，主机和从机 之间基于 通信总线进行指令传输。从机 接收到指令后，将对应的指令转换成为液压系统的控制逻辑，主要是对换向阀、比例阀、油泵进行控制，完成对应的动作。上述执行机构的指令完成情况通过 通信总线上传到主机 控制中，实现液压控制的闭环控制，提升控制过程的精度。监控屏幕上实时显示液压系统的工作状态。支撑油缸的运动方式分成为 种类型，分别为单独运动、成对运动以及分层运动。在单独运动方式下，可以对 个支撑油缸分别进行控制，每个油缸的运行速度可以通过旋钮进行控制。在成对运动方式下，可以同时对成对出现的 个支撑油缸进行控制，使之在 方向或 方向具有相同的运动位移，油缸运动速度控制方法与单独运动模式相同。支撑油缸分为上、下 层，每层有 个油缸，在分层运动方式下，可以单独对上层或下层的 个油缸同时控制，油缸运动速度控制方式相同。推进油缸中设置有两种类型油路，即主油泵油路和副油泵油路，利用前者可以实现推进油缸的快速移动，利用后者可以实现推进油缸的慢速调节。在快速支撑和缩回的过程中，可以使用主油泵油路，当需要对支撑压力进行小范围调节时，可以使用副油泵油路进行慢速调节。刀盘控制模块方案设计刀盘结构中使用了 台电机，每台电机配备有变频器，对变频器进行合理选用是确保电机之间功率平衡的重要基础。系统中使用的是 公司研制的 系列变频器，该变频器在工业领域具有比较好的应用，可以满足系统的实际使用要求。此型号变频器使用的是 直接转矩控制模式，是当前阶段最先进的技术之一。能够进行自定义编程，还能根据实际需要进行模块拓展，丰富功能。变频器与控制器之间基于 通信总线进行数据交流。变频器可以对电机的电流、电压等信息进行实时监控，利用编码器可以对电机的转速进行检测，将相关结果返回至控制器中，实现闭环控制。个变频器采用的是“一主三从”的控制模式，确保 台电机之间的功率平衡。姿态传感器模块设计硬件方面，姿态传感器模块主要有 种类型传感器构成，分别为三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器。利用上述 种传感器的原始数据，可以解算获得掘进机的运行姿态，并将相关数据基于 总线输送至主机 控制器中进行处理。姿态传感器模块主要硬件构成如图 所示。由图 可知，该模块主要由 大硬件部分构成，分别为 处理器、传感器、串口转换模块和电源模块。利用传感器检测的数据传入 处理器中进行解算处理，利用串口转 模块将数据进行电平转换，然后基于 协议将数据传入主机 控制器中。电源模块的作用是对其他硬件进行供电。图 姿态传感器模块主要硬件构成 年第 期白林飞，等：煤矿掘进机电气控制系统的应用研究第 卷 电气控制系统主要模块程序实现基于 控制器的系统具有较高的抗干扰能力，可靠性较高，体积小，运行时的能耗较低，且维修方便，在选定 控制器型号后，使用指定的编程软件可以快速编程，方法简单。缺点在于 控制器在编程时只能进行逻辑控制。液压控制模块程序实现此部分由主机 控制器完成，相关程序存储在主机 中。液压控制模块主要程序框图如图 所示，此部分主要由 通信、控制命令执行以及传感器数据处理组成。通信部分程序首先需要对通信总线参数进行设置，然后实现与主机 之间的连接，进行数据通信。监测获得的数据需要全部存储，以便后续调取查询。通信过程中程序会对 总线的通信状态进行实时监测，确保通信的正常工作，一旦检测发现通信存在故障问题时，在液晶显示屏上显示故障，如果问题比较严重，还会启动液压保护动作，确保设备安全。控制命令执行部分主要包括移机模式处理、掘进模式处理、支撑油缸动作、掘进油缸动作等部分构成，主机 控制器主要对电液比例换向阀、球阀等电气元件进行控制，进而实现液压系统元件控制，完成各种细分机械动作。传感器数据处理部分主要是对传感器采集获得的数据信息进行综合处理，首先是对数据进行采集并转换，确保所有数据转换成为数字量信号，才能输入到 控制器中进行分析，然后对数据进行保存与显示等。一旦发现检测数据存在异常时，会在屏幕上进行警示，并启动液压保护动作。图 液压控制模块的程序结构框图 刀盘驱动模块程序实现此部分由主机 控制器完成，相关程序存储在主机 中。刀盘驱动模块的程序结构框图如图 所示。由图 可以看出，该模块程序同样由 部分构成，即 通信部分、变频器控制部分及其状态监测部分。通信部分程序与液压控制模块程序基本类似，主要包括参数设定、数据信息收发、数据存储以及通信状态监测等部分。变频器控制部分由 部分构成，分别为摇杆数据解析、控制数据转换以及控制命令转存。对于输入的摇杆原始数据需要将其解析，获得电机的方向数据以及旋转速度数据，在此基础上将其转换成为变频器控制命令并存储。在变频器状态监测程序中，对于回传的数据信息首先需要对其进行解析并保存，同时在显示屏上显示，确保工作人员能掌握变频器的工作状态。通过数据监测，如果发现变频器存在故障问题，比如电压或电流过大等，威胁设备安全时，第一时间在屏幕上进行警示。图 刀盘驱动模块的程序结构框图 导向系统程序的实现（）姿态传感器程序的实现。姿态传感器对于本系统是重要的数据获取设备，配合使用软件程序，可以对掘进机运行过程中的姿态进行实时准确获取，为设备精确控制提供数据支撑。掘进机姿态传感器软件程序的主要工作流程如图 所示。图 姿态传感器的主要工作流程 年第 期能源与环保第 卷姿态传感器软件程序开始工作后，需要对单片机资源进行初始化处理，目的在于检测各硬件设施是否正常工作。对定时器工作方式及其初始值进行设定，同时对串口通信模式及波特率进行设置。然后对姿态传感器自身进行初始化，系统中使用的传感器型号为 ，初始化完成后开始数据接收模式。对传感器的数据进行读取并且处理，判断是否接收到主机的查询命令，若有接收到命令，则进入数据发送模式，将相关数据传输到主机中进行分析，完成数据发送工作后，进入下一个循环继续工作。（）姿态纠偏控制程序实现。掘进机姿态纠偏控制程序的主要工作流程如图 所示。由图 可知，程序开始工作后，需要对姿态传感器的数据进行查询并处理，数据处理主要是对格式进行转换，然后在人机界面上对姿态进行显示。系统查询是否开启自动纠偏模式，若没开启则程序结束，可以通过手工方式对姿态进行调整。若开启自动纠偏模式，则依次对 、方向的偏差进行计算，是否超过允许值，根据偏差情况对左、右、前、后支撑油缸进行调整，实现掘进机姿态的调整控制，直到达到理想姿态为止。在对 、方向的姿态偏差进行计算时，如果出现超时现象，则判断程序存在故障问题，需立即终止程序并报警，以提示工作人员处理。图 掘进机姿态纠偏控制程序主要工作流程 掘进功能的实现掘进机工作时的主要流程如图 所示。由图 可知，掘进机通电开始工作后液压系统正常启动，首先切换到移机模式，在该模式下前、后、左、右支撑油缸快速伸出后再慢速伸出，根据实际情况对掘进机的姿态进行调整。完成调整工作后切换到掘进模式，该模式下各支撑油缸处于保压状态，确保掘进机姿态保持稳定，刀盘电机启动工作，刀盘开始旋转，推进油缸启动工作，达到最大推进行程时刀盘停止工作，支撑油缸和推进油缸均快速缩回。掘进过程也可以在操作人员的实际操作下完成。系统中使用的 系列 控制器，配备了 闭环控制模块，利用该模块可以对各支撑油缸的保压过程进行 控制，保证控制过程的稳定性。图 掘进机工作时的主要流程 电气控制系统的应用研究将设计的电气控制系统应用到掘进机工程实践中，该掘进机对某煤矿巷道进行掘进，其锚杆支护按照 、间距和排距均为 进行布局，锚索按照 、间距和排距均为 进行布局。在电气控制系统的作用下，掘进机在 个月内共完成进尺 ，共计完成锚杆支护和锚索支护 根和 根，其中单月最大进尺达到了 。使用电气控制系统前后掘进机单月进尺统计情况如图 所示。图 中，月为使用系统前，月为使用系统后。由图 可知，月份开始使用电气控制系 年第 期白林飞，等：煤矿掘进机电气控制系统的应用研究第 卷统，该月的进尺相对较低，原因在于刚开始使用系统，很多功能处于调试阶段，月和 月的进尺与使用系统前相比有了明显提升，特别是 月份达到了 。使用系统前，单月最大进尺只有 。对比以上数据可知，通过使用本文设计的电机控制系统，使得掘进机的运行效率极大提升，为煤矿企业创造了良好的经济效益，达到了预期效果。图 使用电气控制系统前后掘进机单月进尺统计情况 结论以煤矿领域比较典型的 型掘进机为研究对象，设计研究了掘进机的电气控制系统，并将其应用到煤矿工程实践中，发现达到了预期效果。所得结论主要有：设计的系统主要由远程操作站和掘进机操作站 部分构成，控制器选用的是 系列，为保障系统运行性能，同时使用 个控制器工作，分别负责不同任务。软件程序方面共分为 部分，分别为 总线通信、控制命令执行、传感器数据处理。将设计的电气控制系统部署的掘进机工程实践中，经 个月时间的现场应用，发现效果较好。应用系统前单月进尺最大为 ，使用系统后单月进尺最大达到 ，说明系统的成功应用使得掘进机的效率大幅度提升。参考文献（）：兰天安 掘进机供水流量智能控制系统研究 能源与环保，（）：，（）：郝勇 煤矿掘进机监控系统设计与应用研究 机械管理开发，（）：，（）：杨陆明 煤矿新型掘进机电气控制系统设计 能源技术与管理，（）：，（）：王洪海 型掘进机电气控制系统设计 机电工程技术，（）：，（）：李晓利 控制器在煤矿掘进机中的应用 内蒙古石油化工，（）：，（）：宋娟，雷声媛，高波，等 基于 控制器的矿用掘进机控制平台设计与应用 能源与环保，（）：，（）：，王列，殷华 矿用掘进机电控系统设计及应用研究 能源与环保，（）：，（）：李淑玲，朱彤 矿用掘进机自动截割控制系统及工程应用研究 能源与环保，（）：，（）：郑伟卫 基于 控制的三相异步电动机变频调速系统设计 能源与环保，（）：，（）：朱文忠 基于 的煤矿掘进机电控系统的可靠性设计与实现 煤矿机械，（）：，（）：