【正文】 同類(lèi)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(jí)由 660V 升至 1 140V,掘進(jìn)機(jī)電控也升級(jí)到 1 140V。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(wèn)題。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬(wàn)噸級(jí)、甚至千萬(wàn)噸級(jí)超級(jí)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)。隨著工業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)，各主要產(chǎn)煤國(guó)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(kāi)采強(qiáng)度，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤礦對(duì)掘進(jìn)機(jī)的性能、質(zhì)量、品種的要求也越來(lái)越高?；?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(jiǎn)單、檢修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn) ,大大提高了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。 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。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(gè)瓶頸，高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)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(kāi)采強(qiáng)度，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，煤礦對(duì)掘進(jìn)機(jī)的性能、質(zhì)量、品種的要求也越來(lái)越高。本課題主要是通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究分析，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)的缺點(diǎn) , 提出了一種基于 PLC 的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)。 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(guó)內(nèi)外同類(lèi)課題研究現(xiàn)狀 ......................................................................... 3 研究?jī)?nèi)容 ..................................................................................................... 5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) ............................................................................................. 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(shí)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。 高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)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。 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。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。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(wèn)題。 2)廣泛采用 PLC 等工業(yè)計(jì)算機(jī)作為電控系統(tǒng)的核心控制器件，用軟件實(shí)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。 3)電源波動(dòng)適應(yīng)能力大大提高。 4)保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)水平提高，模擬或微計(jì)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。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(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò) 載、斷相保護(hù)。 5)隨著計(jì)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(cè)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。近幾年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步極大地推動(dòng)了工 業(yè)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在電氣自動(dòng)控制中占有十分重要的地位 。 近年來(lái)，各國(guó)不斷推出新機(jī)型和更新掘進(jìn)機(jī)的電控設(shè)備。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(guó)家引進(jìn)的，如隔離開(kāi)關(guān) (或斷路器 )是美國(guó)西屋電氣公司的 。日本三井三池制作所自 80年代以來(lái)不斷推出 S100、 S200、 S65 等新機(jī)型。 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。 經(jīng)過(guò)幾代人的不懈努力，截止到目前為止，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)發(fā)研究在輕型及中重型上己其本達(dá)到國(guó)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(guó)家的產(chǎn)品還存在著一定的差距。 電氣系統(tǒng)采用可編程控制器 (LPC)為控制核心，實(shí)現(xiàn)模塊化控制， 用本安型電源作為控制回路主電源。 信號(hào)采集采用電流互感器和電壓變送器，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后把轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)送于可編程控制器，經(jīng)過(guò)分析處理，完成相應(yīng)控制。 PLC 與變頻器的通訊，分析通訊的實(shí)現(xiàn)和程序的編寫(xiě)。一種是 plc 控制系統(tǒng)，人機(jī)界面采用文本顯示器。這兩種系統(tǒng)基本上都能滿(mǎn)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。同時(shí)主控器還接受電流變送器的信號(hào)、甲烷傳感器的信號(hào)、漏電檢測(cè)信號(hào)、電機(jī)溫度信號(hào)，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)電控系統(tǒng)的保護(hù)功能。它給世界工程機(jī)械傳統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)帶來(lái)了革命性的進(jìn)步，其優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)特點(diǎn)，故障率大幅降低； (2)它的模擬量輸入端每一個(gè)針具各了處理不同信號(hào)能力，不論是電位計(jì)、熱敏電阻還是變送器電流 /電壓信號(hào)，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(wèn)題； (4)它內(nèi)部數(shù)個(gè) 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(jí)語(yǔ)言來(lái)編程的復(fù)雜算法如直行糾偏多 PID 控制、發(fā)動(dòng)機(jī)液托泵復(fù)合控制、姿態(tài)模糊控制、自動(dòng)駕駛等等 。 (7)它具有 CANOPEN 和 CAN2. 0 兩個(gè)總線(xiàn)接口可以與國(guó)內(nèi)外很多標(biāo)準(zhǔn)CANBUS 總線(xiàn)產(chǎn)品進(jìn)行連接，或經(jīng)門(mén)路模擬與其它總線(xiàn)或上位機(jī)連接，組建大型系統(tǒng) 。 以專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)顯示整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，立刻顯示故漳內(nèi)容及其對(duì)應(yīng)的排出故障步驟，給維修人員提供了極大地方便。專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器采用插接式連接，拆裝十分力便，且不會(huì)出現(xiàn)接線(xiàn)錯(cuò)誤 而且相對(duì)于 plc，它的可靠性更高、抗震性更好、防護(hù)等級(jí)更高，適用于長(zhǎng)期悲劣的工作環(huán)境。這些高新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了 PLC 的發(fā)展，而 PLC 的發(fā)展又對(duì)這些高新技術(shù)提出了更高的要求，促進(jìn)了它們的發(fā)展。其發(fā) 展過(guò)程大致可分為 3個(gè)階段。 PLC 在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在 I/O（ Input/Output）接口電路上做了改進(jìn)，以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的要求。 2： 20 世紀(jì) 70 年代，微處理器的出現(xiàn)是 PLC 發(fā)生了巨大的變化。在軟件方面，除了原 有功能外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理、通信、自診斷等功能。同時(shí)擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量和各類(lèi)繼電器的數(shù)量，并提供一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，進(jìn)一步增強(qiáng)了 PLC 的功能。為進(jìn)一步提高PLC 的處理速度，生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用芯片， PLC 的軟件和硬件功能發(fā)生了巨大變化，體積更小，成本更低， I/O模塊更豐富，處理速度更快，指令功能更強(qiáng)。 現(xiàn)代 PLC 的發(fā)展有兩個(gè)主要趨勢(shì)：一是向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型發(fā)面發(fā)展；二是向大型網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面發(fā)展，趨向于當(dāng)前工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能。固定式 PLC 包括 CPU板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。 PLC 系統(tǒng)由 4個(gè)主要單元： (CPU)。在 PLC 工作過(guò)程中，供給 PLC 穩(wěn)定可靠的電流，使其正常工作。用來(lái)同 PLC 電路進(jìn)行通信。在手 持終端，通過(guò)小鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行輸入，顯示設(shè)備通常是液晶顯示器 (LCD)。通過(guò) I/O 模塊將外界信號(hào)傳輸?shù)?PLC 內(nèi)部，經(jīng) PLC 處理后將命令輸出到外圍電路使其動(dòng)作。它采用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶(hù)程序，通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入 /輸出來(lái)完成一系列邏輯、順序、定時(shí)、技術(shù)、運(yùn)算等功能，控制各種類(lèi)型的機(jī)電一體化設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。從功能上來(lái)看， PLC 的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面： 1：邏輯開(kāi)關(guān)控制 這是 PLC 最基本的功能，也是最為廣泛的應(yīng)用。采用 PLC 可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種開(kāi)關(guān)量的控制，用來(lái)取代繼電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制。 PLC 可根據(jù)操作按鈕、各種開(kāi)關(guān)及現(xiàn)場(chǎng)其他輸入信號(hào)或檢測(cè)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的功能。時(shí)間設(shè)定值既可以由用戶(hù)在編程時(shí)設(shè)定，也可以由 操作人員在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)人 — 機(jī)對(duì)話(huà)裝置實(shí)時(shí)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)具體的定時(shí)控制。計(jì)數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同定時(shí)器一樣。一般計(jì)數(shù)器的技術(shù)頻率較低。也可選用選用具有內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器的 PLC，目前的 PLC一般可以提供計(jì)數(shù)頻率達(dá) 10KHz 的內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器。 4：步進(jìn)控制 PLC 具有步進(jìn)（順序）控制功能。 5：模擬量處理與 PID 控制 PLC具有 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換的位數(shù)和精度可以根據(jù)用戶(hù)要求選擇，因此能進(jìn)行模擬量處理與 PID 控制。為了既能完成對(duì)模擬量的 PID 控制，又不加重 PLC 的 CPU 負(fù)擔(dān)，一般選用專(zhuān)用的 PID控制模塊實(shí)現(xiàn) PID 控制。 6：數(shù)據(jù)處理 PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力。新一代的 PLC 還能進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算。外部設(shè)備與一臺(tái)或多臺(tái) PLC 之間可實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的傳輸。 8：實(shí)時(shí)通信和冗余互備功能 實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)絡(luò)下 PLC系統(tǒng)對(duì)信息處