掘进机的电控系统研究毕业设计论.doc

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31.1课题的提出31.2国内外同类课题研究现状31.3研究内容51.4未来发展趋势52基于PLC的掘进机电控系统82.1可编程控制器（PLC）的概述82.2电气设备参数及特征132.3电控系统组成162.4掘进机电气系统原理173 PLC与变频器的通讯323.1 变频器的基本工作原理323.2PROFIBUS DP作用353.3基于PRDFIBUS-DP控制系统结构的构建353.4变频器数据通讯的实现363.5变频器通讯程序424总结与展望46致谢47参考文献481 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未来发展趋势我国掘进机电气控制技术经过几十年的发展，现已趋于基本成熟，目前有两种典型的电控系统被广泛应用。一种是plc控制系统，人机界面采用文本显示器。另外一种采用专用的运动控制器作为主控器，人机界面采用工业触摸屏。这两种系统基本上都能满足不同岩巷掘进的需要，但在适应性、可靠性、先进性等方面存在一定差异。主控器控制系统以EPEC专用控制器为核心，通过can总线接受操作箱的控制信号，通过内部程序运算控制继电器输出，实现个电机的启动和停止。同时主控器还接受电流变送器的信号、甲烷传感器的信号、漏电检测信号、电机温度信号，通过程序实现整个电控系统的保护功能。EPEC专用运动控制器是基于长期恶劣环境如高震动、温度变化剧烈和湿度较大等条件下可靠地工作而开发的，是一种集可编程控制器、比例放大器、模拟量输入A/D模块、继电器输出等功能于一身的高性能工程机械专用控制器。它给世界工程机械传统的电液控制系统带来了革命性的进步，其优点如下：(1)它有大电流输出(0-3A)取代了传统继电器，节省了大量接线特点，故障率大幅降低；(2)它的模拟量输入端每一个针具各了处理不同信号能力，不论是电位计、热敏电阻还是变送器电流/电压信号，都可以接入并使用软件编程进行设定；(3)它的逻辑控制功能可以非常轻松的完成以前用各式各样继电器和模块很难解决的问题；(4)它内部数个16位高性能微处理器以及超大容量的内存空间使它具有及强的数字处理能力，可以完成很多以前必须用电脑高级语言来编程的复杂算法如直行纠偏多PID控制、发动机液托泵复合控制、姿态模糊控制、自动驾驶等等; (5)它是基于CANBUS总线开发的产品，当系统节点较多或信号传输距离较远时可以使用多个控制器组网，节省接线、提高可靠性、并且灵活性和可扩展性大大加强；(6)它的I/0设计独具匠心，一针多能，既可做开关量输入，也可以做模拟量输入，既可做PWM或开关量输出也可以做开关量输入，一个型号便可以有无数种组合满足无数种需要，使用更力便、更经济;(7)它具有CANOPEN和CAN2. 0两个总线接口可以与国内外很多标准CANBUS总线产品进行连接，或经门路模拟与其它总线或上位机连接，组建大型系统;(8)由于采用专用插头连接，使其拆卸力便不易出错。以专用运动控制器作为主控器，结合工业用触摸屏的人机界面，能够有效的实时显示整机的运行状态，并能在系统出现故障时，立刻显示故漳内容及其对应的排出故障步骤，给维修人员提供了极大地方便。更换PLC控制系统，在接线较多的情况下容易出现接线错误。专用运动控制器采用插接式连接，拆装十分力便，且不会出现接线错误而且相对于plc，它的可靠性更高、抗震性更好、防护等级更高，适用于长期悲劣的工作环境。2基于PLC的掘进机电控系统2.1可编程控制器（PLC）的概述2.1.1PLC的发展过程和方向PLC的发展与计算机技术、微电子技术、自动控制技术、数字通信技术、网络技术等密切相关。这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高的要求，促进了它们的发展。伴随着微处理器的出现和大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数字通信技术的不断进步，PLC取得了迅速的发展。其发展过程大致可分为3个阶段。1：早期的PLC作为继电器控制系统的替代物，其主要功能只是执行原先有继电器完成的顺序控制和定时/计数控制等任务。PLC在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O（Input/Output）接口电路上做了改进，以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器，并采取了一定措施，以提高系统抗干扰能力。2：20世纪70年代，微处理器的出现是PLC发生了巨大的变化。采用微处理器作为PLC的中央处理单元，使PLC的功能大大曾强。在软件方面，除了原有功能外，还增加了算术运算、数据传送和处理、通信、自诊断等功能。在硬件上增加了模拟量I/O 、远程I/O和各种特殊功能模块，如高速计数模块、PID模块、定位控制模块和通信模块等。同时扩大了存储器的容量和各类继电器的数量，并提供一定数量的数据寄存器，进一步增强了PLC的功能。3：80年代后期，随着超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的价格大幅度下降，各种PLC采用的微处理器的性能普遍提高。为进一步提高PLC的处理速度，生产厂家开发了专用芯片，PLC的软件和硬件功能发生了巨大变化，体积更小，成本更低，I/O模块更丰富，处理速度更快，指令功能更强。经过五十年的发展，它已经成为了通用的自动化控制装置，将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点，其应用越来越广泛并逐步深入到各行各业中去。现代PLC的发展有两个主要趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型发面发展；二是向大型网络化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面发展，趋向于当前工业控制计算机的性能。2.1.2PLC的组成和分类 从结构PLC可分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、电源模块、机架等，这些模块可以按照一定顺序组合配置成一个完整的PLC。PLC系统由4个主要单元：1.中央处理器(CPU)。它是系统的核心，不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出.2.电源模块。在PLC工作过程中，供给PLC稳定可靠的电流，使其正常工作。3.编程器/监视器。用来同PLC电路进行通信。手持终端、工业终端和PC都可以作为编程器/监视器。在手持终端，通过小键盘来进行输入，显示设备通常是液晶显示器(LCD)。4.I/O模块。通过I/O模块将外界信号传输到PLC内部，经PLC处理后将命令输出到外围电路使其动作。2.1.3 PLC的特点PLC是在微处理器的基础上发展起来的一种新型的控制器，是一种基于计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置。它采用存储器存储用户程序，通过数字或模拟的输入/输出来完成一系列逻辑、顺序、定时、技术、运算等功能，控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。PLC把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备、灵活性强、通用性好以及继电器接触器控制系统的简单易懂、维修方便的特点，主要体现在以下几个方面：1.可靠性高2.编程简单易学3.功能强大4.采用模块化结构5.安装简单，维修方便6.接口模块丰富7.系统设计与调试周期短2.1.4 PLC的功能经过长期的工程实践，PLC上述特点越来越为广大工程技术人员所认识和接受，已经广泛应用于石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、矿山、水利、环保等各个领域，包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络。从功能上来看，PLC的应用范围大致包括以下几个方面：1：逻辑开关控制这是PLC最基本的功能，也是最为广泛的应用。PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能。采用PLC可以很方便地实现对各种开关量的控制，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。PLC既可以用于单机或多机控制，又可以用于自动化生产线的控制。PLC可根据操作按钮、各种开关及现场其他输入信号或检测信号控制执行机构完成相应的功能。2：定时控制PLC具有定时控制功能，可为用户提供几十个甚至上千个定时器。时间设定值既可以由用户在编程时设定，也可以由操作人员在工业现场通过人机对话装置实时设定，实现具体的定时控制。3：计数控制PLC具有计数控制功能，同样可为用户提供几十个甚至上千个计数器。计数设定值的设定方式同定时器一样。但计数器分为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等类型，以完成不通用途的计数控制。一般计数器的技术频率较低。如需对频率较高的信号进行技术，则需要选用高速计数器模块，其最高计数频率可达50KHz。也可选用选用具有内部高速计数器的PLC，目前的PLC一般可以提供计数频率达10KHz的内部高速计数器。计数器的实际计数值也可以通过人机对话装置实时读出或修改。4：步进控制PLC具有步进（顺序）控制功能。在新一代的PLC中，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图编写用户程序，使PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的时候更加简便。5：模拟量处理与PID控制PLC具有A/D和D/A转换模块，转换的位数和精度可以根据用户要求选择，因此能进行模拟量处理与PID控制。PLC可以接模拟量输入和输出模拟量信号，模拟量一般为4mA20mA的电流、1V5V或0V10V的电压。为了既能完成对模拟量的PID控制，又不加重PLC的CPU负担，一般选用专用的PID控制模块实现PID控制。此外还具有温度测量接口，可以直接连接各种热电阻和热电偶。6：数据处理PLC具有数据处理能力。可以进行算术运算、逻辑运算、数据比较、数据传送、数制转换、数据移位、数据显示和打印、数据通信等功能，如加减乘除、乘方、开方、与或、异或、求反等操作。新一代的PLC还能进行三角函数运算和浮点运算。7：通信和联网功能现在的PLC具有RS-232，RS-485或现场总线等通信接口，可进行远程I/O控制，可实现多台PLC联网和通信。外部设备与一台或多台PLC之间可实现程序和数据的传输。通信接口按标准的硬件借口和相应的通信协议完成通信任务的处理。8：实时通信和冗余互备功能实时通信实现了总线网络或以太网络下PLC系统对信息处理的实时要求，冗余互备功能则体现了一般工业现场的安全性与稳定性的最基本要求。9：故障自诊断功能PLC可以对系统配置、硬件设置、指令合法性、网络通信的进行自诊断，发现异常情况报警并记录显示故障类型。如果故障较为严重，PLC则会自动停止运行。PLC的故障自诊断功能大大提高了PLC系统工作的稳定性。10：人机界面功能人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，可以实时监视系统工作状态、报警类型等其他工作状态参数指标，以便作决策和调整。2.1.5 PLC与继电器控制系统PLC是在传统的继电器逻辑控制系统的基础上，与3C技术（Computer，Control，Communication）相结合而不断发展完善起来的新型自动控制装置。由PLC组成的自动控制系统和传统继电器接触器控制系统主要不同点见表2.1。表2.1 PLC与继电器控制系统的比较与继电器控制系统的比较比较内容继电器接触器系统可编程控制器（PLC）系统控制方式采用硬件接线，利用继电器触点的串并联或延时实现逻辑控制采用存储逻辑，将逻辑程序存储在存储器中，改变程序既可改变控制逻辑控制速度依靠机械触点的动作实现控制，频率低，一般为毫秒级，机械触点有抖动现象由程序控制半导体电路实现控制，速度快，一般为微秒级，无抖动现象延时控制靠时间继电器滞后动作实现延时，继电器精度低且易受环境影响，时间调整困难由半导体集成电路作定时器，精度高，不受外界影响，时间易调整可靠性硬件接线多且复杂，可靠性低用软件取代了很多继电器功能，接线少，可靠性高系统维护工作量硬件复杂，触点多，维护量大，故障率高，维修麻烦系统简单，维护量小，有故障记录维修简单设计施工调试必须按顺序进行，周期长施工可与程序设计同时进行，周期短系统价格使用继电器接触器，价格较低使用大规模集成电路，价格较高2.2电气设备参数及特征2.2.1主要用途及适用范围掘进机电控设备安装在EBZ135 型双电压掘进机上，其隔爆型结构适用有瓦斯及煤尘爆炸危险的矿井中。2.2.2使用工作条件； a) 海拔高度不超过2000 米； b) 周围环境温度-5+40； c) 周围空气相对湿度不大于95（25）； d) 能承受掘进机的振动，与水平安装倾斜度不超过15； e) 在有沼气爆炸性混合物隧道或矿井中； f) 无破坏绝缘的气体或蒸汽的环境中； g) 无长期连续滴水的地方；h) 污染等级 3 级；2.2.3技术参数 1 额定电压 开关箱： 主回路： 1140V 或660V 控制回路： AC220V、AC120V、AC24V、DC24V、DC12V、 DC5V 操作箱： DC12V 2 额定电流 165.8A/287A 3 额定频率 50HZ 4 输出分路数 4 路 5 额定功率 258KW 6 电机参数（见表2.2）2.2 EBZ135掘进机电机参数名称型号额定电压（V）额定电流（A）额定功率（KW）备注隔爆型三相异步电动机YBU-135-41140/66086/149135截割电机隔爆型三相异步电动机YBU-751140/66047.1/81.575油泵电机隔爆型三相异步电动机BYD11-160-80501140/6608.2/14.211二运电机隔爆型三相异步电动机YBU-371140/66024.5/42.337风机电机2.2.4结构特征 2.2.4.1开关箱 开关箱符合GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用防爆电气设备 通用要求和 GB3836.2-2000爆炸性气体环境用防爆电气设备 隔爆型电气设备d的标准设计，属隔爆型电气设备。其隔爆壳体是用钢板焊制的两个通过接线端子相互连接的独立腔体。 开关箱位于掘进机本体的左后方， 掘进机的主要电器元件都安装在此开关箱内，开关箱的主腔和接线腔均为隔爆型结构，接线腔和壳体上均设有接地螺栓。主腔内配有主盘安装板，主电路的电器原件基本上都安装在该板上，主盘板占据了主腔大部分空间，其上装有控制回路断路器、交流真空接触器、电流互感器、零序电流互感器以及漏电闭锁检测等元件。2.2. 4.2操作箱操作箱为本安型，供电电压 DC12V，操作箱上装有一块液晶显示屏，显示各电机的运行状态、截割负荷、工作电压、故障信息，具有故障锁定功能和故障记忆查询功能。操作箱上还有急停按钮、复位按钮、开机键和油泵、截割、二运、风机开停按键等按键。按下急停按钮所有电机将不能启动。当出现故障时须按下复位按钮键复位然后才能启动电机，该按键还具有第二功能，可以查询故障记录（升序查询）和修改系统工作电压（660/1140 选择） 。按下开机键发出开机信号，同时电铃鸣响，延时2 秒电铃自停，进入电机启动画面，该键还具有翻页功能。启动电机时首先启动油泵，待油泵启动正常后其他电机才能启动。按下截割按键，首先启动预警，预警一定时间（时间长短可修改）后才启动截割电机。2.3电控系统组成掘进机电控设备主要是由矿用隔爆兼本质安全型开关箱KXJ4-258(218、203)/1140(660)E(以下简称开关箱)和矿用本质安全型操作箱CX4-4/12E(以下简称操作箱)两部分组成， 和BAL1-36/127-150矿用隔爆电铃；DGY35/24B隔爆型照明灯；BZA1-10/24-1ZS隔爆型压扣急停按钮以及油泵电机、截割电机、二运电机、风机电机等组成了掘进机电气系统。掘进机电气系统各电机均采用双电压电机，工作电压为 660V 或 1140V，通过改变电机接线方式选择工作电压。掘进机电控系统以可编程控制器(以下简称 PLC)为核心，对油泵、截割、二运、风机四个电机的过压、欠压、短路、超温、过载、过流、三相不平衡、电机绝缘进行监控和保护、并具有低压漏电、瓦斯保护、水流异常等功能。操作箱与开关箱之间通过工业上常用的 RS485 通讯，稳定性高，仅用两芯信号线便可实现对油泵、截割、二运、风机的开停以及显示各电机运行状态、截割电机负荷、工作电压和各种故障信息，大大减少了操作箱与开关箱之间的连线，操作箱电缆采用快速接头连接方式，安装方便，可靠性高。开关箱视窗内设有发光管能够显示32 种故障信息，与液晶屏可以独离工作。掘进机电气系统框图如图2.1所示 图2.1 掘进机电气系统框图2.4掘进机电气系统原理2.4.1 主回路： 主回路主要是由隔离开关QS、真空接触器KM1-KM4、阻容吸收电路RC1-RC4以及电流互感器 TA1-TA12组成。主电路图见图2.2。 图 2.2 掘进机电控系统主电路图 电源开关，当其闭合时主回路各接触器上端得电。通过控制回路分别闭合真空接触器 KM1-KM4，油泵、截割、二运、风机电机便可运转。 各回路利用阻容吸收电路RC1-RC4吸收主回路过电压。电流互感器 TA1-TA12 检测各回路电流，转换成电压信号送可编程控制器，通过程序对电机进行保护，并通过显示窗和液晶屏显示故障原因。为防止系统内部瞬间过电压冲击（主要为断路器、接触器开断产生的操作过电压）对重要电气设备的损伤，通行的做法是在靠近断路器或接触器位置安装氧化锌避雷器（MOA）或阻容吸收器进行冲击保护。比较两类产品性能上的优点，氧化锌产品的优点主要在能量吸收能力强，可以用于防雷电等大电流冲击；阻容吸收器的优点主要在于起始工作电压低，可有效吸收小电流冲击对设备的影响。 在真空断路器负荷侧接人电容的作用是增加与负载并联的电容。这样，一方面可减小负载特征阻抗，以减小过电压的幅值。另一方面，可减小过电压的的角频率。从而降低过电压的上升幅度。接人电阻R的目的在于吸收负荷回路的能量，降低高频振荡电流的幅值，使流过真空断路器的电流不致由于高频电流的叠加而造成弧隙中电流突降过零点，这样可有效地防止电弧多次重燃而引起过电压。 对于电动机来说，从限制多次重燃过电压的角度出发，R和C的数值选择方法如下: C=(12 R=1/ (1+ /C) 式中为电机的固有电容，为从电源到电机的线路电感。实际操作过程中，RC取值范围为:C=0.10.5Uf,R=100200。2.4.2 控制电源 控制电源主要是提供电控系统各等级工作电压。控制电源原理图见图2.3。图2.3 控制电源原理图控制电源主要由电源变压器 KB、熔断器 FU1-FU3、断路器QF1-QF4、漏电检测ELK1-ELK2和接触器KM5、KM6共同组成对 220V、120V 和 24V 回路漏电检测并断电保护，通过按复位按钮可以重新供电。电源变压器为 1140V和660V通用。 注意：根据系统工作电压切换熔断器 FU1-FU2。 2.4.3 控制回路控制回路是可编程控制器（简称 PLC）为核心，通过RS485通讯接受操作箱的控制信号，通过内部程序运算控制继电器输出，实现各电机的启动和停止。PLC外部接线图如图2.4。图2.4 PLC外部接线图同时PLC接受电流互感器的信号、瓦斯继电器信号、漏电检测信号、KM1-KM4 反馈信号、电机温度保护信号，通 过程序实现整个电控系统的保护功能。 SB1-SB3 为紧急停止按钮，SB1 装在操作箱上，和设在整机油箱前侧的紧急停止按钮SB2 一样作为总急停，按下总急停主控器端子CZ2-25 无AC220V 输出，KM5 断电，切断 220V 供电，各电机将不能启动。截割紧急停止按钮 SB3 设在整机左侧，司机席前部，按下SB3,截割电机将不能启动。PLC 接受瓦斯传感器动作信号，断开CZ2-19、CZ2-20,停前级电源。控制回路原理图如图2.5。图2.5 控制回路原理图2.4.3.1工作原理 系统送电后，液晶屏显示生产公司的信息，同时开关箱视窗内的指示灯齐亮，检查指示灯有无损坏，稍后熄灭，PLC检测真空管是否粘连， 若正常主控器端子CZ2-27输出AC220V， 漏检继电器KM7、KM8吸合，进行各回路漏电、粘连检测，如系统正常则按顺序进行以下操作。 2.4.3.2信号 油泵启动前应给信号，按住开机键，主控器端子 CZ2-28 输出AC120V,电铃鸣响， 两秒后电铃停止鸣响,液晶屏将自动切换至电机启动画面，此时才允许启动油泵电机。油泵未启动再次按开机键，液晶屏又返回至开机画面。 2.4.3.3油泵启动、停止 进入电机启动画面后，液晶屏仅显示油泵电机的状态信息“油泵停止” 。瞬时按油泵按键，主控器端子 CZ2-21 有 AC220V 输出，控制接触器KM1 吸合，其常开触点KM1.3闭合，接通油泵计时表H1,油泵开始计时。同时常开触点KM1.1闭合，通过主控器端子 CZ2-7输入至主控器,主控器检测到此信号认为油泵启动，否则将发出油泵启动失败的故障信息，按复位键复位。油泵启动后状态信息将变为“油泵运行” ，液晶屏右列第一个指示灯（第一为油泵指示，第二为截割，第三为二运， 第四为风机） 由空心变为实心， 同时液晶屏上依次显示 “截割停止”、 “二运停止” 、 “风机停止” ，此时三台电机才允许启动。再次瞬时按油泵按键，主控器控制接触器KM1断开，KM1.1断开，主控器检测到输入信号断开，认为电机已停止，粘连检测回路投入，此时若检测到真空管下端带电，认为真空管粘连，发出“油泵粘连”故障信息。 油泵电机正常停止后， 液晶屏再次显示油泵启动前的画面信息。 2.4.3.4截割启动、停止 油泵电机启动后，瞬时按截割按键，主控器启动定时器（定时时间分5 秒、10 秒、15 秒、20 秒、25 秒可调）工作，同时主控器端子CZ2-28 输出AC120V,电铃鸣响，截割开始启动前预警。液晶屏上截割状态信息变为“截割预警” 。定时时间到，CZ2-28 断开 AC120V,电铃停止，同时液晶屏上截割状态信息变为“截割待启” ，此时截割电机处在等待启动状态，在此状态下再次按下截割按钮，主控器端子CZ2-22 输出 AC220V，接触器 KM2 吸合，截割电机启动，其常开触点KM2.3闭合，接通截割计时表H2，截割开始计时。常开触点KM2.1闭合， 通过CZ2-8 输入至主控器， 主控器检测到此信号认为截割已启动，否则发出截割启动失败的故障信息，按复位键复位。截割启动后状态信息将变为“截割运行” ，右列对应的指示灯由空心变为实心。再次瞬时按截割按键，主控器端子断开 AC220V,接触器 KM2 断开，KM2.1断开，主控器检测到输入信号断开，认为电机已正常停止，粘连投入检测，不正常发出“截割粘连”故障信息。截割停止后状态信息显示“截割停止” 。按下位于机器左侧的截割急停按钮，截割将不能启动或运行中立即停止，截割状态行显示“按复位键复位” ，再次启动截割须按复位键复位。 2.4.3.5二运启动、停止 油泵电机启动后，瞬时按二运按键，主控器端子 CZ2-23 输出AC220V,接触器 KM3 吸合，常开触点 KM3.1 闭合，通过 CZ2-9 输入至主控器，主控器检测到此信号认为二运电机已启动，否则发出二运启动失败的故障信息，按复位键复位。二运启动后状态信息变为“二运运行” ，右列对应的指示灯由空心变为实心。再次瞬时按二运按键，主控器端子CZ2-23 断开AC220V,接触器KM3 断开，KM3.1 断开，主控器检测到输入信号断开，认为二运电机已正常停止，粘连投入检测，不正常发出“二运粘连”故障信息。二运停止后状态信息显示“二运停止” 。 2.4.3.6风机启动、停止 油泵电机启动后，瞬时按风机按键，主控器端子 CZ2-24 输出AC220V,接触器KM4吸合，常开触点 KM4.1闭合，信号通过CZ2-10输入至主控器，主控器检测到此信号认为风机电机已启动，否则发出风机启动失败的故障信息， 按复位键复位。 风机启动后状态信息变为 “风机运行” ，右列对应的指示灯由空心变为实心。再次瞬时按风机按键，主控器端子CZ2-24 断开AC220V,接触器KM4 断开，KM4.1 断开，主控器检测到输入信号断开，认为风机电机已正常停止，粘连检测投入，不正常发出“风机粘连”故障信息。风机停止后状态信息显示“风机停止” 。 2.4.3.7总急停机器运转过程中，按下紧急停止按钮 SB1、SB2，主控器端子CZ2-25无AC220V 输出，KM5 断电，切断220V 供电，同时主控器内部停止所有的输出，使运行中的各电机立即停止。按下急停按键弹出急停的报警信息，再次启动需按复位键。SB3为截割急停，按下截割急停截割电机不能启动，截割状态显示“按复位复位” ，需按复位键解锁。 2.4.3.8电气连锁 连锁一般用于串联电路或并联电路中,也就是说电器的工作状态是由二个以上条件决定的,比如在串联电路中它必需全部满足条件才能运行,在并联电路中它只要满足其中一个条件就能运行。主要的电气连锁有： 1：必须发开机信号才能进入启动画面，油泵电机才能启动 。 2：只有当油泵电机启动后，截割、二运、风机电机的状态信息才显示，否则截割、二运、风机按键将不起作用。油泵 停止，运行中的截割、二运、风机将停止。 3：启动截割电机时首先自动启动截割预警，预警结束后截割电机自动启动。 4： 利用限位开关XK2,确保在无负荷情况下， 隔离开关TQ 停、送电。 5：当前级电源先导回路接43和47时，开箱门和瓦斯闭锁可停前级电源。 2.4.4保护回路 2.4.4.1电路的组成 保护回路主要是由电流互感器TA1-TA12,电机内热敏电阻，低压漏电检测，漏电闭锁检测回路等组成。由电流、电压互感器实时检测电动机的三相线电压和线电流;用粘连漏电检测电路检测真空接触器的管漏电、触头的粘连和电机的绝缘检测;用低压漏电检测电路检测电铃和照明灯漏电;用瓦斯断电仪和甲烷传感器监测矿井下的瓦斯浓度，此外还有电机温度，液位、油温、位移等传感器的信号，PLC接受电流互感器、热敏电阻、零续电流互感器、漏电闭锁等信号，并将计算出来的信号有效值与预先设定的相应整定值进行比较判断，若在一定时限内，采样到的信号有效值都在设定的故障范围值之内，则认为有故障产生，并由PLC发出故障控制信号对电动机进行跳闸断电和报警，或是切断电铃和照明灯的电源，并送液晶屏和显示视窗显示故障信息，实现整个电控系统的保护功能。若无故障产生，则循环采样、显示和存储电压、电流信号。2.4.4.2工作原理（以油泵电机为例） 首先开机前检查供电电压及各回路绝缘状态。当出现过电压、欠电压、瓦斯超限、漏电闭锁时，各电机将不能启动，同时显示出故障状态。 油泵电机运转过程中，出现过载、过流、三相不平衡、断相等故障时，PLC接受电流互感器采集的电流信号通过程序运算，使输出点CZ2-21 断电，接触器 KM1 断开主回路，运行的油泵电机停止。同时液晶屏和显示窗显示故障状态，当出现过流和断相时，按操作箱复位按钮可以重新启动。过载保护和漏电闭锁为自动复位，过载三分钟后复位，绝缘恢复到漏电闭锁值的1.5倍时自动复位。截割、二运、风机的保护原理和油泵电机相同。 漏电闭锁故障是在各电机起动运行之前检查并显示。漏电闭锁（earth leakage search/lockout），检测分断状态的馈电开关或电磁启动器负荷侧绝缘电阻，如低于设定值时使其不能合闸送电的功能。当掘进机电气系统主电路单相对地绝缘电阻值降到规定值以下时电机不能启动(参考值AC1140V为40K，AC660V为22 K)。漏电故障是指在电力系统中，当带电导体对大地的绝缘阻抗降低到一定程度，使经该阻抗流人大地的电流增大到一定程度我们就说该带电导体发生了漏电故障，或者说该供电系统发生了漏电故障。流入大地的电流，叫做漏电电流。对于目前国内井下广泛采用的变压器中性点绝缘的低压供电系统，漏电故障的明确定义为：在中性点绝缘的低压供电系统中，发生单相接地(包括直接按地和经过渡阻抗接地)或两相、三相对地的总绝线阻抗下降到危险值的电气故障就叫作漏电故障，简称漏电。当系统送电后，PLC 首先检测接触器真空管是否粘连，若正常 主控器端子CZ2-27输出AC220V,使漏检继电器KM7、KM8吸合，对各回路漏电检测，当绝缘阻值过低，电机不能启动。如各回路正常可以启动电机，启动电机前断开漏检继电器，停止漏电检测，然后电机启动。当电机停止后，粘连回路投入检测，真空管无粘连，延时2 秒漏检继电器吸合，检测各回路漏电。 在未开机的情况下， 进入参数修改画面可以对四台电机漏电检测回路进行漏电试验，以验证系统的可靠性。分别按油泵、截割、二运、风机，对应出现漏电故障信息，则认为系统正常。 2.4.4.3电机温度保护 由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机绕组温度达到170时，热敏电阻呈高阻，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转，电机冷却后自动复位。对应热敏电阻阻值为1K-2K。2.4.4.4电机过载保护 在电动机实际的运行中，常会遇到过载或欠电压情况，但只要不严重、时间短，电机绕组不超过允许的温度，这些情况是允许的。但若出现长期带负载欠电压运行、长期过载运行及长期断相运行等不正常情况时，就会加速电动机绝缘老化过程，缩短电动机的使用寿命，甚至会导致烧毁电动机绕组。为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，当电动机一旦出现长时间过载等情况，需要自动切断电路，从而出现了能随过载程度而改变动作时间的电器，这就是热继电器。与电流继电器和熔断器不同，热继电器中发热元件有热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护，更不能做短路保护。EBZ135型掘进机的电动机过载保护，是通过热继电器实现的。热继电器采用的是双金属片热继电器，主要由热元件、双金属片和触头组成。当电机出现过载时，程序采取反时限过载保护。过载动作后，使电机停止，3 分钟自动复位。 2.4.4.5电机三相不平衡及断相保 电动机的不对称保护主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等。不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起负序效应给电动机运行带来的隐患。因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要的。当电机出现断相或三相不平衡率达到 60时，主控器发出电机断相故障，使电机停止，按复位键复位。 2.4.4.6各电机过流保护 电器设备的过电流保护，通常又被称为短路保护，它是指当电网供电线路或供电设备发生短路故障时，供电线路的电流突然增大，过电流保护就是利用这一特点构成的保护装置。常用的过电流保护装置有：定时限过电流保护、反时限过电流保护、无时限过电流速断保护、有时限过电流速断保护和三段式过电流保护等。EBZ135型掘进机的过电流保护采用有时限过电流速断保护。煤机电器系统以自动空气断路器作为馈电开关，自动空气断路器具有良好的灭弧装置，断流能力强。它不仅能够切断正常的负荷电流，也能切断短路电流。自动空气断路器通常装有短路、欠电压及过负荷等保护装置，当被保护电路发生故障或不正常运行状态时，可以自动跳闸。当各回路电流达到额定电流 8-10 倍时，主控器在 200-400 毫秒动作，使电机停止，按复位按钮复位。 2.4.4.7系统过电压、欠电压保护 当系统电压超过额定电压 15时，启动时低于额定电压 75或长时间低于额定电压85时，主控器动作，发出电压异常故障信息，使电机停止，电压正常时自动复位。 2.4.4.8低压线路漏电保护低压线路漏电保护:当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘能力降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V漏电。(参考值AC220V为5 K，AC120V为3 K，AC24V为2 K。2.4.4.9瓦斯闭锁保护 当瓦斯检测仪检测的瓦斯含量超标时，主控器通过程序判断故障，使串入前级电源控制回路的继电器得电，从而停前级电源。3 PLC与变频器的通讯根据掘进机电控系统的控制要求选择三菱公司的FR-A740变频器，下面分析SIMENZ S7-300 PLC与FR-A740在PROF1BUS-DP网络中通讯的实现。变频器由于其应用简便和性能可靠，已成为工业传动装里中首选的电机控制器。3.1 变频器的基本工作原理变频调速就是通过改变电动机定子供电频率，以平滑改变电动机转速。当频率在0-50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。在整个调节过程中，都可以保持有限的转差功率，具有高精度、高效率的调速性能。由电动机基本理论知道，三相异步电动机的转速表达式为式中： 异步电动机的转速； 异步电动机定子频率； 电动机转差率； 电动机极对数。由上式可知转速与频率成正比，只要改变频率即可改变三相异步电动机的转速。但是异步电动机电动势公式式中：定子每相绕组感应电动势的有效值； 定子频率； 定子每相绕组的有效匝数； 每极磁通量； 定子电压。可知，定子电压与磁通和频率成正比，当不变时，和成反比，的升高势必导致磁通的降低。通常电动机是按50Hz的频率设计制造的，其额定转矩也是在这个频率范围内给出的。当变频器频率调到大于50Hz时，电动机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。为了有效维持磁通的恒定，我们必须在改变频率时同步改变电动机电压，即保持与成比例关系。 3.1 变频器的主电路图 现代变频器采用微计算机数字控制技术构成，并提供了标准的工业通讯接口和内置协议(如PROFIBUS, CCLINK等)，为变频器的远程监控提供了必要的基础。变频器外部接口图如图3.2。图3.2 变频器FR-A740外部接口示意图频器FR-A740外部接口示意图PROFIBUS-DP的DP即Decentralized Periphery。它具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它与PROFIBUS-PA（Process Automation ）、PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )共同组成了PROFIBUS标准。PROFIBUS-DP做为现场总线PROFIBUS标准中一种，是一种高速(数据传输率为9.6kb/s-12Mb/s)、经济、可靠的现场级网络，已经在工业控制得到了广泛的应用。3.2PROFIBUS DP作用用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供