掘进机智能控制系统的设计与维护

掘进机智能控制系统的设计与维护

摘要：近年来随着煤炭事业的发展,掘进机已经成为煤矿现场工作的必要设备,为

了确保掘进机可以在煤矿生产中正常工作,需要进一步设计完善掘进机控制系统的

结构和功能,以满足复杂工作环境的各种要求,使其具有环境适应性、安全可靠性

以及较强的抗干扰性。传统的煤矿掘进机控制系统使用继电器构造,自动化程度低、维护困难,难以满足现代化工业4.0的需求。西门子的S7-200PLC与其他控制器相

比具有接线比较简单、编程比较方便、安全可靠度高、抗干扰性强、系统维护方

便等优点,采用PLC可以有效地提高掘进机的实际生产效率,满足煤矿现代化发展

需求。

关键词：掘进机；智能控制系统；设计；维护

1关于控制系统设计问题的研究

首先根据某煤田地质情况以及本煤炭作业工作流程分析与研究，设计的掘进

机控制智能分析系统，必须达到智能化要求，能够实现智能化控制及数据显示功能，从而实现对整个作业流程和运转状况数据的监测和记录，先对掘进机的截割

过程进行分析，搭建断面数据尺寸同作业单位参数之间的数字模型，计算悬臂运

行转角的位置和液压缸位置以及截切头坐标三者之间的相关性。

控制软件表现出截割范围，并给监测系统传送相关数据及视频信息，这些视

频信息分为截切和运行等情况信息，可实现对掘进机的实时监测，从而满足截切

自动成型的要求。结合地质环境特点把智能技术用于设备当中，以达到节约人力

和时间的目的。

为使系统进入适合的轨道，选用可视化智能监测系统可缩短设备运转时间，

降低能耗。经过比较选用防爆三相电机和变频技术，经过单片机AVP控制整个截

切流程，并选用VB6.0程序在Window界面显示。

2关于掘进机相关智能设计的要求

控制掘进机系统主要由四部分构成:即PLC、电机、回路保护及显示部分。该

系统电压是50Hz交流供电电压，能够满足电机进行启停工作及正反转，可以有

效保护电机。EBZ150A型号的掘进机在进行截割、转载和运行等生产操作时都离

不开电机的支撑，该电机可充分满足工作需求。

掘进机操作一般流程分为:一是准备阶段，要做好工作场地不相关人员的清除

工作;二是启动阶段，当电机被启动后，油泵恒定电压预警引发自动切割后，这时

磁阀被启动;三是低速启动和电机高速截割。

控制掘进机软件系统的主要功能包括:一是漏电状况检测，主要负责对油泵及

电机截割进行漏电检测，如果发生漏电就会引发报警;二是功能保护，用于防止各

电机出现过流和超温、超载等情况。该系统PLC主要负责对油泵和电机切割顺序

及高低速电机之间的切割互锁;另外，该系统设有急停按钮，确保发生意外时可以

迅速停机，达到保护设备的目的。

3PLC控制系统的设计

3.1硬件系统设计

掘进机系统控制硬件由指示各种功能的信号灯、报警用的声音报警、报警用

的光报警、按钮、开关等组成，由于西门子CPU226控制器能够进行各种功能扩展，灵活、方便，基本能够实现掘进机的智能化控制，所以，本设计采用西门子PLCS7-200的CPU226控制器作为控制核心。另外，对CPU226进行了功能扩展，

增加了数字模块与模拟模块，分别是西门子Em231与Em222。西门子S7-200将

与上位机电脑以及HMI触摸屏进行连接，从而达到人机进行交换的最为优秀的应

用系统，它降低了操作人员工作难度，HMI触摸屏更加直观、具体地反映掘进机

的工作状况，控制更加直观。系统安全监控能够依据采集的现场信息数据进行判断，当出现故障或者危险时，及时发出报警，操作人员根据报警采集的信息能够

准确判断出故障部位及故障性质，这样有利于维修人员快速对故障进行维修，从

而大大提高了掘进机施工效率。

3.2程序控制设计

从中可以看出掘进机在进行智能改装后，其工作流程如下：首先要做掘进机

工作前的准备，进行自检系统以及相应元件检查，判断其是否存在故障，如果系

统元件存在故障，系统将发出故障报警，提醒操作人员处理故障。当自检结果正

常时，控制人员将启动掘进机，此时掘进机进入准备工作，如果启动油泵电机，

掘进机将进行液压油升压工作，当系统液压稳定后掘进机才能够进行下一步的工作，5s后掘进机进入低速切割程序（启动低速切割电机），再过5s后掘进机进

入高速切割程序（启动高速切割电机）。

3.3抗干扰和安全性设计

由于掘进机施工环境非常复杂，增强、加大掘进机抗干扰及安全性的设计是

非常重要的。在掘进机系统控制里，各种开换、继电器、PLC、显示器等电子、

电器元件，都安装于掘进机电控柜里，所以，设计的电控柜不仅要达到尺寸要求，在设计的结构上也要满足安全上的需要，必须具备一定的隔爆、防爆的能力。另

外设计的电控柜，在开门时保证电路断电确保安全，在设计时安装开门传感器，

当开门前由于忘记或者别的原因没有断开控制柜电源，在打开控制柜门时自动断

开控制柜电源，当关闭控制柜门时又能自动接通电源，从而保证工作人员的安全。另外，控制柜应设计防震装置，确保系统不会因为振动造成系统控制的误操作。

除此之外，掘进机为了能够确保工作时不受干扰，除上述设计采用的电控柜是防

震隔爆外，还有掘进机控制核心PLC程序控制器的选用必须也要具有抗电磁功能，其设计选用内容有：设计PLC程序控制器必须采用独立供电电源；PLC程序控制

器传输信号的线路不能与动力电源线路一起排列，防止交流频率影响信号参数；PLC硬件控制装置必须安装在金属控制柜内，这样可以屏蔽控制柜以外的电磁信号。

4系统维护

4.1控制系统维护

掘进机控制系统中的电气元件和电缆在工作时很容易被破坏,因此对该控制系

统进行定期维护很有必要,具体包括以下两个方面:(1)各电气元件的检查,首先测试

控制系统各接线、接触器接点、熔断器是否完好;接着测试控制系统照明灯在现场

工作中是否正常并同时检查蜂鸣器能否报警;最后测试控制系统停止按钮的灵敏可

靠度,并观察其能否进行紧急停机操作;(2)电缆的检查,首先检查电缆的悬挂和电缆

的驰度是否满足实际生产要求并检查其在现场工作中有无滴水或淋水状况发生;接

着检查电缆铠装在工作过程中是否被腐蚀,电缆是否接触到油脂类物质,导致电缆

的绝缘层受到影响,还应检查电缆铠装承受压力的范围以及各接触点连接的稳定性。

4.2电动机的维护

掘进机的电动机可以保证工作的正常完成,因此对于该控制系统中电机的定期

维护十分重要,具体包括以下两个方面:(1)工作电压是否满足实际生产要求,电机温

度升高是否正常;(2)检查电机连接件的稳定性和电机的绝缘性,并适时给电机补充

润滑油。