竖井掘进机控制系统设计.pdf

第 4 2卷 第 9期 2 O 1 6年 9月 Vo 1 ． 4 2 NO． 9 S e p ．2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 0 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ i ． i s s n 。 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 。 0 9 ． 0 0 2 杨炳文，付文俊 ， 刘志强． 竖井掘进机控制系统设计[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 9 5 - 8 ． 竖井掘进机控制系统设计 杨 炳 文 ， 付 文 俊 。 ， 刘 志 强 。 1 ． 天地 科技 建井 研 究院 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 北京 中煤 矿 山工程有 限公 司 ， 北京 1 0 0 0 1 3 摘要 为保证竖井掘进机稳定、 可靠运行 ， 设计 了一种基 于 P L C的竖井掘进机控制 系统 ， 介绍 了系统组 成 、 工作原 理 及软硬 件 设计 方案 。该 系统 采 用 2组 P L C， 根 据 工作 模 式控 制 相 关 油泵 、 刀盘 旋 转 电动机 及推 进 支撑油缸等 ， 并将状 态参数上传给本地操作平台及远程控制计算机进行显示 。实际应用表明， 该 系统运行 状 况 良好 。 关键 词 竖 井掘 进 机 ；P L C控 制 ；刀盘 旋转 驱动 ；液压推 进及 支撑 中 图分 类 号 TD 6 3 1 文献标 志 码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 0 7 网络 出 版地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 0 7 ． 0 0 2 ． h t ml De s i gn o f s ha f t b o r i n g ma c h i ne c o n t r o l s y s t e m YANG Bi n g we n 一， FU W e n j u n 一， LI U Zh i q i a n g 1 ． I n s t i t u t e o f Mi n e Co n s t r u c t i o n ，Ti a n d i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co ． ，Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ； 2 ． Be i j i n g Ch i n a Co a l Mi n e En g i n e e r i n g Co ． ，Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o e n s u r e s t a bl e a nd r e l i a bl e o pe r a t i on o f s h a f t bo r i ng ma c hi n e， a n s h a f t bo r i n g ma c h i n e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n PLC wa s d e s i g n e d，a n d c o mp o s i t i o n，wo r k i n g p r i n c i p l e a n d s o f t wa r e a n d h a r d wa r e d e s i g n s c h e me s we r e i n t r o d u c e d．Th e s y s t e m u s e s t wo P LC u n i t s t o c o n t r o l c o r r e s p o n d i n g o i l pump，c ut t i ng ba r r o t a t i n g m o t or a nd p us hi n g a nd s up po r t i n g c y l i nd e r a c c o r di n g t o wo r ki n g mod e，a nd u p l o a d s s t a t e p a r a me t e r s t o l o c a l o p e r a t i o n p l a t f o r m o r r e mo t e c o n t r o l l i n g c o mp u t e r f o r d i s p l a y．Th e p r a c t i c a l a pp l i c a t i o n s ho ws t h a t t he s y s t e m r un s we l 1 ． Ke y wo r ds s ha f t bo r i ng ma c hi ne；PLC c o nt r o l ；c u t t i ng ba r r o t a t i n g d r i vi ng；hy dr a u l i c p us hi n g a nd s up po r t i n g 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 1 1 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 7 - 2 2 ； 责任编辑 李明 。 基 金项目 国家高技术研究 发展计划 8 6 3 计划 资助项 目 2 0 1 2 AA0 6 A4 0 3 。 作者简介 杨炳文 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山东烟台人 ， 硕士研究 生， 研究方 向为煤矿建设技术装备 ， E ma i l y a n g b i n g we n b b s 1 6 3 ． c o m。 [ 5] [6] [7] [ 8] [ 9] E l O ] 吴婕萍 ， 李 国辉． 煤岩界 面 自动识别 技术发展 现状及 其趋势[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 2 4 4 4 9 ． 宛 良军． 矿 山企业 管理 者安 全 行为 分析 E J ] ． 低碳 世 界 ，2 0 1 4 1 7 1 6 2 1 6 3 ． 张申． 煤 矿 自动化 发展 趋势 [ J ] ． 工 矿 自动化 ，2 0 1 3 ， 3 9 2 2 7 3 3 ． 王江涛 ，杨建梅． 复杂 网络 的分 形研究 方法综述 [ J ] ． 复杂系统与复杂性科学 ， 2 0 1 3 ，1 0 4 1 - 7 ． 徐峰 ， 严 学强． 移 动 网络 扁平 化架 构探讨 [ J ] ． 电信科 学 ，2 01 0 ，2 6 7 4 3 4 9 ． 郭立群 ， 王欣滔 ，王笑赤 ， 等． 海啸早期预警系统 的一 种本体式表达[ J ] ． 测绘 与 空 间地 理信 息 ，2 0 1 4 7 5 一 l 0． 蒋锐 ， 宋焕斌 ， 朱杰勇． 基 于 S e n s o r We b的矿 山地质 灾害监测预警[ J ] ． 金属矿 山 ， 2 0 1 0 9 1 6 2 1 6 5 ． 张 申， 刘鹏 ， 张彭． 感 知矿 山物联 网云计 算应 用探 索 [ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 2 ， 4 0 9 7 2 7 5 ． 马小平 ， 胡延军 ， 缪燕子． 物联网 、 大数据及云计算技 术在煤矿 安 全生 产 中 的应用 研究 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 4 5 - 9 ． 张 申， 张滔． 论 矿山物联 网的结构 性平 台与服 务性平 台I - j ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 3 ， 3 9 1 3 4 3 8 ． 张 申． 矿山物联网服务承载平台与矿山购买 服务[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 6 ， 4 2 4 7 - l 1 ． ∞ 化 m 的 动 舱 自 d 矿 工 d h iI 口 口 口 {二l 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 0 引言 竖井 掘进 机是 一种用 于矿 山竖 井井 筒建 设 的大 型全 断 面掘进 综合 凿井设 备 ， 具有 破岩 机械 化 、 控 制 自动 化 、 安全 防护 性 好 等 特 点 。竖 井 掘进 机 一 般 工 作在 高温 、 高压、 大湿度 、 高粉尘 、 高电磁干扰环境 下 ， 且伴随有工作振动。为保证其可靠 、 稳定工作， 需要高性能 、 高可靠性的电控系统。P L C具有通用 性强、 使用方便、 可靠性高、 抗干扰能力强、 编程简单 等 特点 [ ， 因此 本 文设计 并实 现 了一 种基 于 P L C 的 竖 井掘 进机 控制 系统 。 1 系统 组成及 原理 竖井掘进机控制系统 主要 由刀盘旋转 驱动部 分、 液压推进及支撑部分、 P L C控制部分 、 通信显示 部分 、 保 护 回路 等组 成 。 竖井 掘 进 机 的 刀 盘 由 4台 电 动 机 同 步 驱 动 。 4台 电动机 均 由各 自变 频 器控 制 ， 由 P L C控 制 变 频 器 ， 实现掘进机刀盘旋转破岩。液压推进及支撑部 分 通过推 进 油缸 推 动 刀盘 向下 进 行破 岩 工 作 ， 并 通 过支撑油缸将整个 竖井掘进机撑紧在井壁上 ， 以克 服 刀盘 破岩 旋转 产 生 的反 转 矩 ， 并 承 受 推进 油缸 推 动刀盘破岩 时产生 的反作用力 。P L C控制部分 以 P L C为 核心 控制器 件 ， 接 收本 地 控 制 平 台和 远 程控 制计算 机 的操 作 指 令 并 进 行 响 应 。P L C通 过 比例 换 向阀控 制油缸 伸 缩 ， 并 检测 行程 和油压 ， 通过 实 时 调整 比例 换 向阀 的开 启 度来 保 证 油 压 稳 定 、 支 撑 牢 固 ； 通 过 两通换 向阀控制 主 、 副油泵 给推 进油 缸 或 支撑 油缸 供压 ； 通过 溢 流阀及 变量 泵控 制油路 压 力 。 同时 P L C接收各传感器及仪表输入的状态参数 包 括环 境参 数 、 液位 、 油压 、 油温 、 行 程 、 电流 、 转 速 等 ， 根 据参 数 进 行 相应 的系 统异 常 报 警及 保 护[ 引， 同时 将状态参数上传给本地操作平台及远程控制计算机 进行显示 。通信显示部分实现系统各部分之间的通 信 ， 并实 时显 示 系 统 的工 作 状 态 及 参数 。保 护 回路 主要 由传感 器、 电流表等提供检测信号， P I c根据 检 测信 号进 行异 常 判 断 ， 实 现异 常状 态 下 的报 警及 保 护 。 2系统硬 件设 计 竖井 掘进机 控制 系统 硬件 组成 如 图 1 所 示 。 2 ． 1 P LC控 制 部分 采用 2组 P L C 组 成 控 制 回路 ， 一 组 为 主 P L C 功 能组 ， 另一组 为液 压 P L C功 能组 。2组 P L C之 间 图 1 竖 井 掘 进 机 控 制 系 统 硬 件 组 成 通过 P r o f i b u s DP e2 , 线通信 ， 传递指令、 状态 参数 等 。主 P L C功能 组 包括 C P U 模 块 、 模 拟 量 输 入 模 块 、 数字量输入／ 输 出模块及通信模块。主 P L C功 能组通 过 P r o f i b u s DP总 线 与 远 程 控 制 计 算 机 及 变频 器通信 ， 通 过数 字量 、 模 拟量 输入 模块 获得 本地 控制 平 台的控制 指 令 及操 作 参 数 ， 通 过 数 字 量输 出 模块 驱动 本地 控制 平 台的指 示 灯 进 行 状态 显 示 ， 通 过通信模块读取各配电柜仪表参数 一 。 液压 P L C功 能组包 括 C P U 模块 、 模 拟量 输入 ／ 输出模块 、 数字量输入／ 输出模块 ， 主要负责液压推 进及支撑部分 的控制和检测， 通过 P r o f i b u s D P总 线 从 主 P L C功能 组获取 控 制参数 ， 通 过输 入模 块 从 各传感器处获取油压 、 液位 、 油温 、 行程等参数 ， 通过 输 出模 块控 制液压 泵 站 电动 机 、 电磁控 制 阀等 ， 同 时 将相关参数传回主 P L C功能组 。 2 0 1 6年 第 9 期 杨 炳 文等 竖 井掘 进机 控 制 系统 设计 7 。 2组 P L C分别通过 MP I总线与本地控制平 台 的触摸屏连接 ， 接收操作指令并进行状态显示。 2 ． 2 刀盘 旋转 驱动 部 分 竖 井 掘 进 机 刀 盘 的 4台驱 动 电 动 机 分 别 配 有 1台变 频器 ， 采 用 “ 一 主三 从 ” 控 制 方 式 。选 定 其 中 1台 电动 机 作 为 主 电 动机 ， 并 配 有 编码 器 。P L C与 主 电动机 变 频器 之 间 通 过 P r o f i b u s D P总 线 通 信 ， 完成运行状态参数采 集与转速设定功能 ， 构成转速 闭环 和转 矩 闭环 控 制 系 统 。 主 、 从 电动 机 变 频 器 之 间通 过变 频 器 的 R DC O模 块 连 接 。通 过 设 置 变 频 器参数 ， 将 主电动机变频器的转矩信号引出， 作为从 电动机变频器 的控制信号 ， 实现从 电动机转矩闭环 控制 ， 保证 4台电 动机 同 步运 转 。电动 机 转 速 由主 P L C功能组 根 据 本 地 控 制 平 台或 远 程 控 制 计 算 机 的转 速设 置值 控 制 ， 且 电动 机 运行 速度 、 电 流 、 功 率 等信息由主 P L C功能组采集。 2 ． 3液 压推 进及 支撑 部 分 液压推进及支撑部分主要包括 4个推进油缸 、 8 个 支撑 油 缸 ， 以 及 相应 的 电 控 阀 门和 行 程 检 测 等 设备 ， 由液压控制 P L C功能组控制 ， 完成整个竖井 掘进机 的推进 及 支 撑 操 作 。以下 为 液压 P L C 功 能 组 对液 压 推进及 支 撑部 分 的具体 控制 功 能 。 1 开 始工 作 ， 向冷 却 泵 、 润滑 泵 、 滤油 泵供 电 ， 根据油温控制加热器工作。 2 与主 P L C功能组通信 ， 获取控制参数 。通 过各种采集设备采集状态信息 ， 同时 向主 P L C功能 组 发送 液 压工 况信 息 。 3 根 据 控 制 参 数 启 动 主 、 副 油 泵 ， 输 出 0 ～ 1 o V信号并通过 电流放大板驱动变量泵 ， 输 出 4 ～ 2 0 mA信号控制 比例换向阀， 输 出 0 ～1 O V信 号控 制 比例溢流阀， 输出开关量信号控制换 向阀。 4 给主油泵供 电， 用于推进及支撑 的快速动 作 。快 速 动作 到位后 ， 关 闭主 油泵 ， 启 动副 油泵 实现 微 调及 保 压功 能 。正常 工作 期 间只使 用副 油泵 完成 推 进及 支撑 动作 。 5 在工作 过 程 中发 生 憋 钻 时 ， 自动 上 提 钻 头 重新开钻。通过姿态检测仪器检测是否偏钻 ， 实现 智 能纠偏 控 制 。 6 保护及报警 。通过接收相应传感器信号实 现液位过低报警 、 过滤器换芯报警 、 行程检测异常报 警等 。 在整个竖井掘进机工作期间 ， 支撑油缸需要维 持一定压力 ， 以保证掘进机整体的支撑牢 固。P L C 采用 P I D调节方式 ， 将压力继 电器采集的油压信号 作为反馈量 ， 通过调整 比例换 向阀开度来实现支撑 油 缸 自动保 压 。 2 ． 4通信 显 示部分 远 程控 制 计 算 机 通 过 P r o f i b u s D P 总 线 与 主 P L C功能组通信 ， 采用组态软件 Wi n C C编写人机 交 互界 面 。 本地操 作平 台配有 2块触摸 屏， 分别 与 2个 P L C功 能 组 相 连 ， 用 于显 示 系 统 电流 、 工 作 状 态 参 数 、 环境参数 、 报警信息等 。触摸屏 与 P L C之间通 过 MP I 协议通信 ， 并使用组态软件 Wi n C C F l e x i b l e 编 写人 机交互 界 面 。 主 P L C功能组 的通信模块通过 Mo d b u s协议 获取各个配电柜的电流表参数等 。 2 ． 5保 护 回 路 系统配 有急 停 按 键 ， 用 于 紧急 情 况 断 电 。系 统 运行中， 若出现过压、 过流、 瓦斯超 限等情况 ， 立即停 止电动机运转， 并显示故障状态。通过各种传感器 采集油压 、 行程等参数 ， 超过设定值时显示报警。液 位极低、 过滤器需要换芯时显示提示信息。各种电 动机 可进 行联 锁保 护 。 3系统 软件 设计 系统 软件 包括 主 P L C功能模 块 和 液压 P L C功 能模 块 ， 程 序 流程分 别 如图 2 、 图 3 所 示 。 甲 产 生急停指令， 系统 断电保护， 并上报当前状 态 N ● l 擎 袭 鑫 卜 ≥ T I v． I I N 憋钻时产生 l 提钻指令l 据指 令输出 相 关操作 l 生成刀盘电动机控制 】 l 参数， 并与变频器通信 I t 智能纠偏控制 获取工作环境 气体参数 厂 显 示 数 据 l 图 2 主 P L C功能模块程序流程 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 嘲 根据温度控制加热器 申 请启动主油泵 申请关 闭主油泵 开启副油泵 l 控制相应阀门， l 切换油路 L 广 根据输入参 数 控制相应 比例阀 厂 慢速状态下启动 保压控 制 厂 根据 油杆 行程 进行相关操作 厂 图 3液压 P L C模块程序流程 4 结 语 基于 P L C的竖 井 掘 进 机 控 制 系 统具 有 可靠 性 高、 故障率低 、 维护简单、 操作 自动化等优点 ， 能有效 完成 掘进机 的相 关 控 制任 务 ， 并 实 时 显 示 整 机运 行 状态 。该控 制 系统 已应 用 于实 际竖 井 掘 进机 系统 ， 运行 状态 良好 。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 赵 四海 ， 胡 于伟 ， 赵哲谦 ， 等． 基于 P L C的掘进机 电控 系统设计I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ，3 9 8 1 0 2 1 0 4 ． 朱金雨 ， 李国莲． 液压支架跟机 自动化 系统设计 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 3 ，3 9 1 2 卜4 ． 滕丽丽 ，滕俊章． 基于 P L C的悬 臂式掘进 机 电控 系统 的设计与实现[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 4 ，3 5 4 1 3 3 1 3 4 ． 贾 运红． Mo d b u s协议 的实 现 方法 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 015，41 1 0 6 1 - 6 5 ． 第二届 中国煤炭工业技术委员会 电气专家委员会学术年会 暨煤矿物联 网与智能化技术与装备征 文通知 主 办单 位 中 国煤 炭工 业协会 承 办单 位 中煤科 工集 团常州 研究 院有 限公 司 中 国煤 炭科 工集 团有 限公 司 征 稿单 位 工 矿 自动化 编辑 部 论 坛 时间 2 O 1 6年 1 2月 煤矿智能化技术 与装备是 实现煤 炭安 全高效生产 的保障 。近年 来 ， 国家重点 支持煤 炭工业发 展 自动 化、 智 能化 ， 数字化 矿 山和矿 山物联 网技术也取得很 大发 展 ， 相关科研机构取得 了一批先进技术成果 ， 国家科 技部十三 五重大专项也 支持矿 山安 全生产物联 网关键技术 与装 备研究 。因此 ， 为进一步促进学术交流及重大技术研 究 ， 推动煤矿 自动化 、 智 能化水平提 高 ， 中国 煤炭科工集 团拟于 2 0 1 6年 1 2月举办 以“ 煤矿物联网与智能化技术与装备” 为主题 的“ 第二届煤炭工业技术委员会电气专家委 员会学术 年会 ” ， 并 拟在 工矿 自动化 开设 “ 煤矿物联 网与智能化” 专栏 ， 对录用征文进行连续刊登 。 1 论 坛 主 题 煤矿 物联 网与智能化技术与装备现状及趋势 。 2论 坛 内容 1 煤矿物联 网、 智 能化热点和前沿问题专题报告 。 2 煤矿物联 网重大技术与装备研究专题报告 。 3 矿 山物联 网、 数 字矿 山、 无人化智能开采技术与装备学术探讨 。 3论 坛 征 文 3 ． 1征 文 方 向 1 煤矿物联 网、 智能化技 术研 究现状与发展趋势 。 2 煤矿物联 网技术前沿 、 热点 、 难点问题研究 。 3 矿 山物联 网 、 数 字矿山 、 无人化智能开采 、 煤矿 自动化技术理论研究及实践 。 3 ． 2征 文 要 求 论文 内容符合征文主题 ， 来稿重点 突出 、 论点 明确 、 论 据可靠 、 语言精练 ， 具有 科学性 、 新颖性 、 实用性 。论 文应 为原创或 未 公开发表的作品 ， 具有较强 的学术价值 ， 能反映所研究领域 的最新科研成 果及发展趋 势 。论 文字数 不超过 6 0 0 0字 ， 要求 图 、 表清晰 ， 专业术语 和法定计量单位 规范统一 ， 请参照 工矿 自动化 论 文格 式撰写规 范 h t t p ／ ／ www ． g k z d h ． c n 。论 文所涉及 的课 题若取得 国家或省部级 以上基金项 目资助 ， 请在文中注明完整的项 目名称和项 目编号 。 3 ． 3 征 文 截 止 日期 请于 2 0 1 6年 l 1 月 3 O日前将 Wo r d 稿件 发送 至邮箱 t d c z k j f z b 1 6 3 ． c o rn， 来稿 请注 明作者 简介 姓 名 、 出生年 月 、 籍 贯 、 职称 、 学位 、 研究方 向或主要从事 的工作 、 邮箱 、 通信 地址 、 邮编 、 联系电话等 。 3 ． 4征 文联 系 方 式 联系人 武福生 联 系电话 O 5 1 9 6 8 9 7 1 6 0 7 ， 1 3 8 6 1 2 1 3 5 7 5