【正文】 摘要 隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，巷道掘進(jìn)成為制約煤礦發(fā)展的一個瓶頸，高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。 隨著采煤機(jī)械化程度的不斷發(fā)展，大大提高了工作面的開采強(qiáng)度，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤礦對掘進(jìn)機(jī)的性能、質(zhì)量、品種的要求也越來越高。 掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣 ,控制任務(wù)繁瑣、要求嚴(yán)格。本課題主要是通過對掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究分析，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際，針對傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)的缺點 , 提出了一種基于 PLC 的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計方案， 并以某公司的 EBZ135 型掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)為例 ,詳細(xì)介紹電控系統(tǒng)的組成、工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計。基于 PLC 的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)具有可靠性高、故障率低、維護(hù)簡單、檢修費(fèi)用低等優(yōu)點 ,大大提高了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞 ： PLC；電控系統(tǒng) ；掘進(jìn)機(jī) 目錄 1 緒論 ....................................................................................................................... 3 課題的提 出 ................................................................................................. 3 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀 ......................................................................... 3 研究內(nèi)容 ..................................................................................................... 5 未來發(fā)展趨勢 ............................................................................................. 5 2 基于 PLC 的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng) ............................................................................... 8 可編程控制器（ PLC）的概述 .................................................................. 8 電氣設(shè)備參數(shù)及特征 ............................................................................... 13 電控系統(tǒng)組成 ........................................................................................... 16 掘進(jìn) 機(jī)電氣系統(tǒng)原理 ............................................................................... 17 3 PLC 與變頻器的通訊 .......................................................................................... 32 變頻器的基本工作原理 .......................................................................... 32 –DP 作用 ................................................................................ 35 基于 PRDFIBUSDP 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建 ........................................... 35 變頻器數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn) ........................................................................... 36 變頻器通訊程序 ....................................................................................... 42 4 總結(jié)與展望 .......................................................................................................... 46 致謝 ......................................................................................................................... 47 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 48 1 緒論 課題的提出 煤炭是重要的一次能源。隨著工業(yè)的發(fā)展，近年來，各主要產(chǎn)煤國家，隨著采煤機(jī)械化程度的不斷發(fā)展，大大提高了工作面的開采強(qiáng)度，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤礦對掘進(jìn)機(jī)的性能、質(zhì)量、品種的要求也越來越高。 高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù) 的發(fā)展方向。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬噸級、甚至千萬噸級超級工作面，使年消耗 回采巷道 數(shù)量大幅度增加，從而使巷道掘進(jìn)成為了煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)。 掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣 ,控制任務(wù)繁瑣、要求嚴(yán)格。當(dāng)前仍有不少掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電器 接觸器控制 ,存在可靠性差、故障率高、維護(hù)困難、維護(hù)費(fèi)用高、維護(hù)工作繁重等問題。由于基于 PLC 的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)能夠較好地完成掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)控制任務(wù)，大幅提升了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，所以本課題具有很重要的研究意義。 國內(nèi)外同類課題研究 現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 90 年代后期至今，隨著煤礦井下電壓等級由 660V 升至 1 140V,掘進(jìn)機(jī)電控也升級到 1 140V。新技術(shù)的應(yīng)用使電控系統(tǒng)在控制、保護(hù)各方面都發(fā)生了全新的變化，并逐漸成熟，現(xiàn)階段電控系統(tǒng)不再是影響掘進(jìn)機(jī)正常工作的主要問題。其主要特征是 : 1)主回路升級到 1 140V，并且實現(xiàn)了 660/1 140V 雙電壓等級的電控箱，滿足各類用戶的要求。 2)廣泛采用 PLC 等工業(yè)計算機(jī)作為電控系統(tǒng)的核心控制器件，用軟件實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器邏輯控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、連接線少、可 靠性高且易于維護(hù)和檢修。 3)電源波動適應(yīng)能力大大提高。普遍采用寬電壓范圍的 PLC、保護(hù)模塊、接觸器、和繼電器，用寬輸人電壓范圍的直流電源作為保護(hù)裝置的供電電源，使電控設(shè)備的性能大大提高。 4)保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計水平提高，模擬或微計算機(jī)數(shù)字智能綜合保護(hù)裝置取代了以前的保護(hù)插件。一些新的控制要點得到應(yīng)用 :延緩換相操作速度，采用提前釋放、延時投人檢測等措施，提高系統(tǒng)抗干擾、抗沖擊能力 。電流互感器、變送器作為電流取樣單元與綜合保護(hù)裝置一起替代了幾乎所有熱繼電器來實現(xiàn)過流、過 載、斷相保護(hù)。如煤科總院太原 研究院的 EBZ120 掘進(jìn)機(jī)用電控箱采用電流傳感器 (變送器 )作為電流取樣單元，信號直接輸人作為主控器件的 PLC 等工業(yè)計算機(jī)來實現(xiàn)過流、過載、斷相保護(hù)，減少了中間環(huán)節(jié)，并充分利用 PLC 的高可靠性，大大提高了電子保護(hù)和系統(tǒng)的可靠性。 5)隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器的應(yīng)用，故障診斷和整機(jī)運(yùn)行工況檢測監(jiān)視功能 (電流、電壓、溫度、壓力、截割頭位置、大屏幕液晶顯示等功能 )與以前相比有了較大的飛躍，并逐漸完善和豐富。 各國早期研制的掘進(jìn)機(jī)都是采用傳統(tǒng)的繼電器 接觸器控制。近幾年來，隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步極大地推動了工 業(yè)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在電氣自動控制中占有十分重要的地位 。同時，電氣控制技術(shù)又是與微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等密切聯(lián)系在一起的。 近年來，各國不斷推出新機(jī)型和更新掘進(jìn)機(jī)的電控設(shè)備。奧地利阿爾卑尼公司 (VOESTALPINE)的 AM50 掘進(jìn)機(jī) (切割電動機(jī)功率 100kw，總電動機(jī)容量 163kw，電壓等級 660V)，其電控設(shè)備在我國煤礦井下使用一年內(nèi)不需大修。該電控系統(tǒng)中采用的電子、電器關(guān)鍵元部件大多是從其他技術(shù)先進(jìn)的國家引進(jìn)的，如隔離開關(guān) (或斷路器 )是美國西屋電氣公司的 。部分電子保護(hù)裝 置和輔助繼電器是德國西門子公司的，可靠性較高。日本三井三池制作所自 80年代以來不斷推出 S100、 S200、 S65 等新機(jī)型。在 S100 和 S200 掘進(jìn)機(jī)上采用雙速切割電動機(jī)的切割電動機(jī)功率為 100/60kw，總電動機(jī)容量 145kw，電壓等級 660 均以及自動功率調(diào)速裝置等新技術(shù)，使電控設(shè)備適應(yīng)機(jī)器切割硬煤巖的能力顯著提高。 S100 掘進(jìn)機(jī)的電氣元部件采用了日本三菱重工業(yè)公司、富士公司等一些技術(shù)水平較高公司的電器產(chǎn)品，其可靠性程度也不亞于AM50。奧地利和日本在研制掘進(jìn)機(jī)電控設(shè)備的過程中，不但注重采用高 可靠性的電子元部件，而且也十分重視避震裝置研究，以減少主機(jī)產(chǎn)生的振動加速度與沖擊對電控設(shè)備的影響，從而進(jìn)一步提高電氣元部件的可靠性。 經(jīng)過幾代人的不懈努力，截止到目前為止，我國掘進(jìn)機(jī)的開發(fā)研究在輕型及中重型上己其本達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在重型掘進(jìn)機(jī)的研究上，與一些發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品還存在著一定的差距。 研究內(nèi)容 基于國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 ,本文以 EBZ135 型掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹電控系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)硬件、工作原理和軟件的設(shè)計。 電氣系統(tǒng)采用可編程控制器 (LPC)為控制核心，實現(xiàn)模塊化控制， 用本安型電源作為控制回路主電源。 基于 PLC 的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理。 信號采集采用電流互感器和電壓變送器，并將信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后把轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號送于可編程控制器，經(jīng)過分析處理，完成相應(yīng)控制。 PLC 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計，其中有主回路、可控電源電路和控制電路等。 PLC 與變頻器的通訊，分析通訊的實現(xiàn)和程序的編寫。 未來發(fā)展趨勢 我國掘進(jìn)機(jī)電氣控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已趨于基本成熟，目前有兩種典型的電控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。一種是 plc 控制系統(tǒng)，人機(jī)界面采用文本顯示器。另外 一種采用專用的運(yùn)動控制器作為主控器，人機(jī)界面采用工業(yè)觸摸屏。這兩種系統(tǒng)基本上都能滿足不同巖巷掘進(jìn)的需要，但在適應(yīng)性、可靠性、先進(jìn)性等方面存在一定差異。 主控器控制系統(tǒng)以 EPEC 專用控制器為核心，通過 can 總線接受操作箱的控制信號，通過內(nèi)部程序運(yùn)算控制繼電器輸出，實現(xiàn)個電機(jī)的啟動和停止。同時主控器還接受電流變送器的信號、甲烷傳感器的信號、漏電檢測信號、電機(jī)溫度信號，通過程序?qū)崿F(xiàn)整個電控系統(tǒng)的保護(hù)功能。 EPEC 專用運(yùn)動控制器是基于長期惡劣環(huán)境如高震動、溫度變化劇烈和濕度較大等條件下可靠地工作而開發(fā)的，是一種集 可編程控制器、比例放大器、模擬量輸入 A/D 模塊、繼電器輸出等功能于一身的高性能工程機(jī)械專用控制器。它給世界工程機(jī)械傳統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)帶來了革命性的進(jìn)步，其優(yōu)點如下： (1)它有大電流輸出 (03A)取代了傳統(tǒng)繼電器，節(jié)省了大量接線特點，故障率大幅降低； (2)它的模擬量輸入端每一個針具各了處理不同信號能力，不論是電位計、熱敏電阻還是變送器電流 /電壓信號，都可以接入并使用軟件編程進(jìn)行設(shè)定； (3)它的邏輯控制功能可以非常輕松的完成以前用各式各樣繼電器和模塊很難解決的問題； (4)它內(nèi)部數(shù)個 16 位高性能微處理器 以及超大容量的內(nèi)存空間使它具有及強(qiáng)的數(shù)字處理能力，可以完成很多以前必須用電腦高級語言來編程的復(fù)雜算法如直行糾偏多 PID 控制、發(fā)動機(jī)液托泵復(fù)合控制、姿態(tài)模糊控制、自動駕駛等等 。 (5)它是基于 CANBUS 總線開發(fā)的產(chǎn)品，當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點較多或信號傳輸距離較遠(yuǎn)時可以使用多個控制器組網(wǎng)，節(jié)省接線、提高可靠性、并且靈活性和可擴(kuò)展性大大加強(qiáng)； (6)它的 I/0 設(shè)計獨具匠心，一針多能，既可做開關(guān)量輸入，也可以做模擬量輸入，既可做 PWM 或開關(guān)量輸出也可以做開關(guān)量輸入，一個型號便可以有無數(shù)種組合滿足無數(shù)種需要，使用更力便、更經(jīng) 濟(jì) 。 (7)它具有 CANOPEN 和 CAN2. 0 兩個總線接口可以與國內(nèi)外很多標(biāo)準(zhǔn)CANBUS 總線產(chǎn)品進(jìn)行連接，或經(jīng)門路模擬與其它總線或上位機(jī)連接，組建大型系統(tǒng) 。 (8)由于采用專用插頭連接，使其拆卸力便不易出錯。 以專用運(yùn)動控制器作為主控器，結(jié)合工業(yè)用觸摸屏的人機(jī)界面，能夠有效的實時顯示整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，立刻顯示故漳內(nèi)容及其對應(yīng)的排出故障步驟，給維修人員提供了極大地方便。更換 PLC 控制系統(tǒng)，在接