煤矿掘进机电气控制系统

摘要

随着煤炭工业的快速发展，巷道掘进成为制约煤矿发展的一个瓶颈，高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着采煤机械化程度的不断发展，大大提高了工作面的开采强度，生产规模不断扩大，煤矿对掘进机的性能、质量、品种的要求也越来越高。掘进机工作环境复杂、恶劣,控制任务繁琐、要求严格。本课题主要是通过对掘进机电气控制系统的研究分析，借鉴国内外先进技术，结合煤矿生产实际，针对传统的掘进机继电器—接触器控制系统的缺点, 提出了一种基于 PLC的掘进机电控系统的设计方案，并以某公司的EBZ135型掘进机的电控系统为例,详细介绍电控系统的组成、工作原理、系统硬件和软件的设计。基于PLC的掘进机控制系统具有可靠性高、故障率低、维护简单、检修费用低等优点,大大提高了煤矿企业的生产效率和经济效益。

关键词：PLC；电控系统；掘进机

目录

1 绪论 (3)

1.1课题的提出 (3)

1.2国内外同类课题研究现状 (3)

1.3研究内容 (5)

1.4未来发展趋势 (5)

2基于PLC的掘进机电控系统 (8)

2.1可编程控制器（PLC）的概述 (8)

2.2电气设备参数及特征 (13)

2.3电控系统组成 (16)

2.4掘进机电气系统原理 (17)

3 PLC与变频器的通讯 (32)

3.1 变频器的基本工作原理 (32)

3.2PROFIBUS –DP作用 (35)

3.3基于PRDFIBUS-DP控制系统结构的构建 (35)

3.4变频器数据通讯的实现 (36)

3.5变频器通讯程序 (42)

4总结与展望 (46)

致谢 (47)

参考文献 (47)

1 绪论

1.1课题的提出

煤炭是重要的一次能源。随着工业的发展，近年来，各主要产煤国家，随着采煤机械化程度的不断发展，大大提高了工作面的开采强度，生产规模不断扩大，煤矿对掘进机的性能、质量、品种的要求也越来越高。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。

掘进机工作环境复杂、恶劣,控制任务繁琐、要求严格。当前仍有不少掘进机控制系统采用传统的继电器-接触器控制,存在可靠性差、故障率高、维护困难、维护费用高、维护工作繁重等问题。由于基于PLC的掘进机电控系统能够较好地完成掘进机的相关控制任务，大幅提升了煤矿企业的生产效率和经济效益，所以本课题具有很重要的研究意义。

1.2国内外同类课题研究现状

20世纪90年代后期至今，随着煤矿井下电压等级由660V升至1 140V,掘进机电控也升级到1 140V。新技术的应用使电控系统在控制、保护各方面都发生了全新的变化，并逐渐成熟，现阶段电控系统不再是影响掘进机正常工作的主要问题。其主要特征是:

1)主回路升级到1 140V，并且实现了660/1 140V双电压等级的电控箱，满足各类用户的要求。

2)广泛采用PLC等工业计算机作为电控系统的核心控制器件，用软件实

现复杂的逻辑关系，代替传统的继电器逻辑控制。系统结构简单、连接线少、可靠性高且易于维护和检修。

3)电源波动适应能力大大提高。普遍采用宽电压范围的PLC、保护模块、接触器、和继电器，用宽输人电压范围的直流电源作为保护装置的供电电源，使电控设备的性能大大提高。

4)保护环节设计水平提高，模拟或微计算机数字智能综合保护装置取代了以前的保护插件。一些新的控制要点得到应用:延缓换相操作速度，采用提前释放、延时投人检测等措施，提高系统抗干扰、抗冲击能力;电流互感器、变送器作为电流取样单元与综合保护装置一起替代了几乎所有热继电器来实现过流、过

载、断相保护。如煤科总院太原研究院的EBZ120掘进机用电控箱采用电流传感器(变送器)作为电流取样单元，信号直接输人作为主控器件的PLC等工业计算机来实现过流、过载、断相保护，减少了中间环节，并充分利用PLC的高可靠性，大大提高了电子保护和系统的可靠性。

5)随着计算机技术和传感器的应用，故障诊断和整机运行工况检测监视功能(电流、电压、温度、压力、截割头位置、大屏幕液晶显示等功能)与以前相比有了较大的飞跃，并逐渐完善和丰富。

各国早期研制的掘进机都是采用传统的继电器-接触器控制。近几年来，随着微电子技术的不断进步极大地推动了工业的发展，数控技术在电气自动控制中占有十分重要的地位;同时，电气控制技术又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等密切联系在一起的。

近年来，各国不断推出新机型和更新掘进机的电控设备。奥地利阿尔卑尼公司(VOEST-ALPINE)的AM-50掘进机(切割电动机功率100kw，总电动机容量163kw，电压等级660V)，其电控设备在我国煤矿井下使用一年内不需大修。该电控系统中采用的电子、电器关键元部件大多是从其他技术先进的国

家引进的，如隔离开关(或断路器)是美国西屋电气公司的;部分电子保护装置和辅助继电器是德国西门子公司的，可靠性较高。日本三井三池制作所自80年代以来不断推出S-100、S-200、S-65等新机型。在S-100和S-200掘进机上采用双速切割电动机的切割电动机功率为100/60kw，总电动机容量145kw，电压等级660均以及自动功率调速装置等新技术，使电控设备适应机器切割硬煤岩的能力显著提高。S-100掘进机的电气元部件采用了日本三菱重工业公司、富士公司等一些技术水平较高公司的电器产品，其可靠性程度也不亚于AM-50。奥地利和日本在研制掘进机电控设备的过程中，不但注重采用高可靠性的电子元部件，而且也十分重视避震装置研究，以减少主机产生的振动加速度与冲击对电控设备的影响，从而进一步提高电气元部件的可靠性。

经过几代人的不懈努力，截止到目前为止，我国掘进机的开发研究在轻型及中重型上己其本达到国际先进水平，但在重型掘进机的研究上，与一些发达国家的产品还存在着一定的差距。

1.3研究内容

基于国内外掘进机电控系统研究现状,本文以EBZ135型掘进机电控系统为例，详细介绍电控系统的组成、系统硬件、工作原理和软件的设计。

1、电气系统采用可编程控制器(LPC)为控制核心，实现模块化控制，用本安型电源作为控制回路主电源。

2、基于 PLC的掘进机电控系统的系统组成和工作原理。

3、信号采集采用电流互感器和电压变送器，并将信号转化成数字信号，然后把转化的数字信号送于可编程控制器，经过分析处理，完成相应控制。

4、PLC电控系统硬件设计，其中有主回路、可控电源电路和控制电路等。

5、PLC与变频器的通讯，分析通讯的实现和程序的编写。

1.4未来发展趋势