岳亞軍

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

煤礦快速掘進技術(shù)在世界范圍內(nèi)已得到大量實際應(yīng)用，且在掘進技術(shù)、裝備及施工工藝上都取得了很大的進步。但是在井下快速掘進施工中，由于受地質(zhì)條件變化和推進長度的影響，諸多技術(shù)瓶頸沒有突破。我院研制的MJJ3800×5800全斷面矩形快速掘進機是機、電、液高度集成的礦用掘進設(shè)備，全斷面一次成巷且可實現(xiàn)掘支平衡，在掘進過程中設(shè)備運行平穩(wěn)、振動小，操作人員均在后平臺作業(yè)，不僅提高了巷道的成巷質(zhì)量和掘進效率，同時也保證了機內(nèi)操作人員的人身安全。

全斷面矩形快速掘進機的電氣控制系統(tǒng)主要由礦用多回路組合開關(guān)、PLC控制器、電液控制系統(tǒng)、計算機操作系統(tǒng)、遙控操作系統(tǒng)和視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)組成，有遙控器操作、本地操作、遙控操作3種操作方式。設(shè)備具有高度的集成化、自動化水平，提高了快速掘進機的操作性和掘進效率，保障了設(shè)備的成巷質(zhì)量。

1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

電氣控制系統(tǒng)主要設(shè)計了掘進機自身所需的動力控制、邏輯控制、監(jiān)測監(jiān)控、通信、照明、激光陀螺導向等子系統(tǒng)，同時也考慮了掘進機與后配套系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)工藝設(shè)備的閉鎖關(guān)系，以及斷前級電源等邏輯功能?？傠娍叵到y(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計原理

動力控制由3 300 V的8回路高壓組合開關(guān)和1 140 V 12回路組合開關(guān)構(gòu)成，其中3 300 V組合開關(guān)主要控制8個截割電動機的啟停、保護和狀態(tài)返回。1 140 V控制液壓泵站電動機、水系統(tǒng)電動機、潤滑系統(tǒng)電動機和刮板運輸系統(tǒng)電動機的啟停、保護和狀態(tài)返回。

掘進機的所有邏輯控制由安裝在隔爆兼本安型控制箱內(nèi)的西門子S7-300系列PLC執(zhí)行。掘進機內(nèi)有3個信號采集控制箱執(zhí)行各液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的傳感器信號采集和比例閥、開關(guān)閥、電動球閥的控制。

無線發(fā)射器和遙控接收機共同組成遙控操作系統(tǒng)，由計算機監(jiān)控主機和顯示器組成的計算機系統(tǒng)執(zhí)行控制命令、運行狀態(tài)監(jiān)測和顯示。監(jiān)測監(jiān)控由多參數(shù)傳感器、濕度傳感器和紅外二氧化碳傳感器組成，實現(xiàn)掘進機內(nèi)環(huán)境檢測和瓦斯報警、斷電功能。

語音對講和擴播系統(tǒng)由通信信號分機、IP網(wǎng)絡(luò)廣播終端組成；由礦用本安型攝像儀、直流穩(wěn)壓電源等組成視頻監(jiān)控系統(tǒng)；礦用本安型千兆環(huán)網(wǎng)接入器構(gòu)成核心的信息傳輸系統(tǒng)[1]。

激光慣組導向系統(tǒng)和設(shè)備上安裝的角度傳感器實時監(jiān)控掘進機的動作，為操作人員的方向控制提供準確的依據(jù)。

同時，考慮到掘進機和后配套設(shè)備的關(guān)系設(shè)備上，預留著與后配套系統(tǒng)運行閉鎖的控制節(jié)點以及其需要的控制電源。

1.2 系統(tǒng)特點

1) 系統(tǒng)化分塊設(shè)計。由于掘進機內(nèi)部所涉及的子控制系統(tǒng)較多，為了便于管理、集中控制，同時提高設(shè)備檢修維護效率，系統(tǒng)按功能采用分塊化設(shè)計。

2) 采用通信的控制方式。主控制系統(tǒng)采用西門300系列PLC和哈威電液控制模塊，利用通信控制掘進機上所有的比例閥，實現(xiàn)同時采集設(shè)備上的各個傳感器信號。主機PLC與上位計算機通過環(huán)網(wǎng)接入器，采用以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。通信的控制方式可減少系統(tǒng)中的控制線纜和控制模塊數(shù)量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和設(shè)備的簡潔化程度。

3) 設(shè)備通過機載的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)與井下大環(huán)網(wǎng)以千兆光口連接，可實時、高速地將設(shè)備的運行狀態(tài)及機內(nèi)的視頻信號傳輸至地面。使得在地面可以遠程監(jiān)控到設(shè)備的使用情況，同時可以實現(xiàn)在地面對掘進機進行遠程操作和維護，從而實現(xiàn)了掘進設(shè)備的首次遠程操作維護。

2 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)保護控制

動力系統(tǒng)主要由3 300 V 8回路高壓組合開關(guān)和1 140 V 12回路真空電磁起動器組成[2]。這2臺組合開關(guān)具有就地、遠程兩種控制方式，可實現(xiàn)各電動機正常啟動、正常停車、保護停車、緊急停車等規(guī)定程序控制；并且有電動機工作狀態(tài)檢測、保護和顯示單元，可以顯示實時電壓、電流值、三相功率、開關(guān)狀態(tài)、保護動作狀態(tài)以及相應(yīng)的故障診斷功能；此外，具有RS485，Profibus等通信接口，可將上述控制和保護信息外引上傳與主站PLC協(xié)調(diào)工作。本系統(tǒng)中的2臺組合開關(guān)均通過Profibus的通信協(xié)議與主控PLC進行通信，實現(xiàn)遠程單動、聯(lián)動啟停各個電動機，同時采集各電動機的運行狀態(tài)。

2.2 邏輯控制系統(tǒng)

邏輯控制系統(tǒng)作為掘進機的控制大腦在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，控制箱配備西門子S7-300 PS307電源模塊、CPU315中央處理單元、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬輸入模塊、CP341 RS485通信模塊；哈威PLVC21閥控由基礎(chǔ)模塊、礦用非安轉(zhuǎn)本安網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量隔離安全柵、模擬量隔離安全柵等器件構(gòu)成[2]。它們共同完成開關(guān)量、模擬量信息輸入、輸出和總線傳輸以及邏輯控制功能。同時控制箱提供工業(yè)以太網(wǎng)和RS485、Profibus-DP、Canopen現(xiàn)場總線等通信接口與其他電控設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。設(shè)備主控通信如圖2所示。

圖2 主控通信示意圖

2.3 閥控制和數(shù)據(jù)采集

根據(jù)設(shè)備的控制要求，機器內(nèi)分布式應(yīng)設(shè)置3臺采集控制箱，其中，1#箱、2#箱設(shè)置于后平臺中部大梁下面，主要控制采集1#、2#液壓泵站及其相關(guān)的比例閥、油缸傳感器等；3#箱設(shè)置于截割部右殼體內(nèi)，主要控制采集3#液壓系統(tǒng)及其相關(guān)的電控閥、油缸傳感器等。

采集控制箱由電源模塊、閥控模塊、信號隔離柵組成，以哈威CANIO14閥控模塊為核心器件，將各種隔爆或本安傳感器的信息采集輸入(本安信號經(jīng)過隔離式安全柵轉(zhuǎn)發(fā))，并轉(zhuǎn)發(fā)給PLC箱；該模塊根據(jù)接收到的PLC指令，執(zhí)行驅(qū)動電磁閥。每個控制模塊最多可以輸入6路模擬量信號、2路開關(guān)量信號；輸出8路模擬量非安控制信號。每個采集控制箱安裝3個控制模塊。

采集控制箱通過CAN總線與PLC箱連接，實現(xiàn)有線雙向半雙工通信。采集控制箱設(shè)計有急?？刂朴|點。正常工作時，急停繼電器吸合；若控制箱接收到急停指令，則進入急停狀態(tài)，繼電器斷開，停止輸出端口的所有輸出。

2.4 遙控控制系統(tǒng)

FJYS-40ⅰ型礦用隔爆兼本安型遙控接收機是以北京海德信通科技有限公司生產(chǎn)的RX-ES-SL-FB無線接收機為核心器件，與GL4-K-EX-I-FB本安型無線發(fā)射器或GL-K-EX-I本安型無線發(fā)射器配套。接收機與礦用PLC控制器及計算機共同構(gòu)建控制系統(tǒng)。

無線接收機通過天線和隔離電容接收發(fā)射器指令，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線傳達給礦用PLC或計算機；反之，礦用PLC或計算機發(fā)生指令、信息通過現(xiàn)場總線傳達給無線接收機，再經(jīng)過隔離電容和天線發(fā)射，在遙控發(fā)射器的指示燈或顯示屏顯示。當無線信號不暢時，接收器同時具備有線功能，用線纜將發(fā)射器與接收機連接即可實現(xiàn)有線通信。

2.5 運行控制

掘進機控制運行操作方式的首選是遙控發(fā)射器即手持遙控器，其次是遠控臺防爆計算機，再次是機內(nèi)防爆計算機。各個操作之間實現(xiàn)互鎖功能。

遠控臺設(shè)置有礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機1臺，顯示器2臺及礦用本安型鍵盤2臺，共同組成完整的2套計算機系統(tǒng)[3]。此外，還設(shè)置了礦用IP網(wǎng)絡(luò)廣播終端和隔爆型急停按鈕。

本地控制臺布置在掘進機內(nèi)，設(shè)置有礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主機1臺，礦用本安型顯示器1臺，與礦用本安型鍵盤組成完整的計算機系統(tǒng)。此外，還設(shè)置了礦用通信信號裝置分機；隔爆型急停按鈕。

遙控發(fā)射器與遙控接收機組成遙控系統(tǒng)。

2.6 導向測量系統(tǒng)

激光慣組導向系統(tǒng)實時監(jiān)控掘進機的動作姿態(tài)，其激光慣組導向系統(tǒng)與主控PLC以RS485的通信方式實時將3個姿態(tài)角傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)再結(jié)合設(shè)備的實際動作換算出設(shè)備的空間坐標，隨著設(shè)備的掘進形成實時曲線，通過觀察實時曲線和設(shè)計曲線的偏差值指導操作人員及時進行方向修正，同時在設(shè)備的殼體和平臺各安裝有一套角度傳感器，以監(jiān)測設(shè)備的俯仰角和滾動角。

3 電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計及操作

全斷面矩形快速掘進機電氣控制系統(tǒng)軟件部分主要包括上位機組態(tài)編程和西門S7-300 PLC軟件編程兩部分[4]。

3.1 上位機組態(tài)王編程

通過組態(tài)王編程軟件編寫系統(tǒng)的操控界面，其組態(tài)王操控界面即“全斷面矩形快速掘進機”集中控制系統(tǒng)操控界面，主要由主界面和分項系統(tǒng)、1 140 V回路、3 300 V回路、電控閥箱、歷史數(shù)據(jù)、實時報警、系統(tǒng)設(shè)置等界面共同組成，主要監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 全斷面矩形快速掘進機的集中控制系統(tǒng)操控界面

主界面包含全斷面矩形快速掘進機正常操作所需的全部控制和信息，操作人員可以根據(jù)需要進行相應(yīng)的操作，并能夠查看到主要設(shè)備和部件的運行信息。主界面中每個矩形框內(nèi)表達一個設(shè)備或一組設(shè)備的狀態(tài)、信息和控制。主控制界面內(nèi)主要包括了設(shè)備的掘進姿態(tài)角度、液壓系統(tǒng)的運行情況及參數(shù)、截割部的電動機的電流和運行狀態(tài)、刮板機的運行電流狀態(tài)以及噴霧冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)。除了主界面外右側(cè)還有7項子系統(tǒng)界面可更好地輔助操作人員進行正確的設(shè)備操作。

3.2 S7-300 PLC編程軟件

主控邏輯程序是控制軟件系統(tǒng)的核心部分，對系統(tǒng)內(nèi)各受控件實行精準控制，可實現(xiàn)設(shè)備的邏輯聯(lián)動控制，又可實現(xiàn)各部件的單動控制，同時采集電壓、電流、壓力、溫度、液位等控制信號，為設(shè)備的可靠和穩(wěn)定運行提供依據(jù)。S7-300可編程控制器采用西門子PLC專用編程軟件V14以梯形圖的方式進行邏輯控制軟件的編寫[5]。軟件部分共有FB程序塊55個、FC程序塊42個，涉及中間變量約2 000多個。因為系統(tǒng)大部分采用通信的控制方式，在軟件中對各個通過通信讀寫的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行了分區(qū)定義。

3.3 設(shè)備的操作

掘進機有遙控器和計算機兩種操作方式，計算機操作又分為遠控計算機、本地計算機兩種操作方式。遠控計算機、本地計算機兩種操作方式完全一致。掘進機正常采用本地計算機操作。計算機通電啟動完畢，系統(tǒng)會自動進入“組態(tài)王運行界面”，使用用戶名及密碼進入掘進機操作界面。設(shè)備的邏輯控制和操作如圖4所示。

圖4 全斷面矩形快速掘進機控制操作流程

4 結(jié)論

全斷面矩形快速掘進機在哈拉溝煤礦井下試驗3個多月，電氣控制系統(tǒng)的各項技術(shù)指標和功能要求均得到了驗證。設(shè)備工業(yè)性試驗以來,電控系統(tǒng)性能穩(wěn)定、故障率低，得到了礦方的一致好評。尤其設(shè)備的遠程監(jiān)控和維護技術(shù)在現(xiàn)場也得已實現(xiàn),提高了設(shè)備的維護和處理問題的效率，實現(xiàn)了掘進設(shè)備首次可遠程監(jiān)控操作，為后續(xù)掘進設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。