（机械工程专业论文）煤巷与半煤岩悬臂式掘进机电气控制技术研究.pdf

摘要 摘要 为了适应煤矿巷道采掘大面积机械化的趋势，巷道掘进机在煤炭工业生产中已 获得了非常广泛的使用。目前各地中、大型煤矿中，基本都有巷道掘进机在井下进 行生产。它已成为煤矿中最主要、最重要的生产装备之一。 本课题通过对悬臂掘进机电控系统重新优化设计，对原有的电气元器件更新换 代，淘汰部分电气件，采用目前国内较为先进、可靠的p l c 、c a n 总线通讯技术， 使系统响应更快捷、稳定、抗干扰性更强，通信及扩展性更强；基于p l c 软件电机 综合保护器、漏电检测技术延长了电机的使用寿命，保证了设备操作人员的生命安 全；信号输入隔离防爆的处理，不仅减小了电控箱体的体积，而且更加美观、耐用、 安全：无源传感器和宽电压范围开关电源的使用，更适应了煤矿井下工作电压大幅 波动的工作环境，确保了系统更加稳定的工作。最后经用户井下使用、试验，性能 稳定可靠，非常满意，达到了预期效果最终实现电气系统更加稳定、可靠。从而实 现掘进机械的自动化，提高电控系统稳定性、可靠性，大大提高掘进效率，减轻工 人劳动强度，保证高效、安全生产。 关键词隔爆；p l c ；综合保护器：总线通讯；漏电 a b s t r a c t i no r d e rt oa d a p t t h et r e n do fb r o a d e n i n gm e c h a n l z a t l o n o tc o a l m t n l n g ， r o a d h e a d e rh a sb e e nw i d e l yu s e di n c o a lm i n n gp r o d u c t i o n a tp r e s e n t ，r o a d h e a d e r _ sa r e w 0 r k i n gu n d e r g r o u n di na l m o s ta l lo f t h em e d i u ma n dl a 唱ec o a lm i n e s l th a sb e c o m et h e m a i n a n do n eo ft h em o s ti m p o n a n tc o a lm i n i n ge q u i p m e n t t h r o u 幽o p t i m i z a t i o no fd e s i g no fc a n t i l e v e rr o a d h e a d e re i e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，t h i s t o d i cr e n e w e dt h eo l de l e c t r i c a ic o m p o n e n t s ，e l i m i n a t e ds o m ee i e c t r i c a lp a r t s ，a d o p t e d d o m e s t i ca d v a n c e da n dr e l i a b l ep l ca n dc a n b u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o i o g y ，m a k et h e s v s t e mm o r ee 伍c i e n t ，s l a b i e a n da n l i i n t e r f e r e n c yw i t hs t r o n g e rc o m m u n l c a t l o na n d e x p a n s i b i l i t yc a p a c i t y ；b a s e do np l cs o a w a r em o t o rc o m p r e h e n s l v ep r o t e c t o r ，l e a k a g e d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，i te x t e n d e dt h es e r v i c ei i f e o ft h em o t o r e n s u r e dt h eo p e r a t o r s s a f e t y ；w i t hs i g n a ii n p u ti s o l a t i o ne x p l o s i o n - p r o o f p r o c e s s i n g ，t h ed e s i g nn o lo n i yr e d u c e d t h ev o l u m eo fe l e c t r i cc o n t r o lc a b i n e t ，b u ta i s om a d e i tb e a u t i f u l ，d u r 2 l b l ea n ds a f e t y ；w i t h p a s s i v es e n s o ra n dw i d er a n g ev o l t a g es w i t c hp o w e rs u p p l y t h ed e s i g n i sm o r ea d a p t e dt o t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fw i d er a n g ev o l t a g en u c t u a t i o n su n d e 唱r o u n dc o a lm l n e e n s u r e d m o r es t a b l ew o r k i n g0 ft h es y s t e m 1 1 1 r o u g no p e r a t i o na n de x p e r i i n e n tu n d e r g r o u n d ，1 t p e r f o r m a n c e ds t a b l ya n dr e l i a b i y t h e u s e rw a sv e 拶s a t i s 6 e d t h ed e s i g nr e a l i z e dt h e d e s i r e de f 琵c t ，t h ee l e c t r i c a ls y s t e mi sm o r s t a b l ea n dr e l i a b l e ，i ta u t o m i z e dt h et u n n e l i n g m a c h i n e ，i m p r o v e ds t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ， t u n n e l i n g e m c i e n c yi sa i s oi m p r o v r d al o t ，i tr e l i e v e sl a b o r i n gi n t e n s i t y ，e m c i e n c ya n ds a f e t y p r o d u c t i o ni se n s u r e d k e y w o r d sl s o l a t i n ge s p l o s i o n ；p l c ：c o m p r e h e n s i v e p r o t e c t o r ；f i e l d b u s c o m m u n i c a t i o n ：l e a k a g eo fe l e c t r i c i t y n 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1立论依据 1 研究背景和意义 就世界范围而言，我国煤炭资源虽储量丰富，但开采难度相对较大。即我国煤 炭资源埋藏深，地质构造条件复杂，瓦斯爆炸、突水灾害，煤与瓦斯突出、矿井自 然发火、煤尘爆炸、等灾害多，易引发重大安全事故。机械化采掘是降低开采难度 的有效措施。截止2 0 0 5 年底，我国国有大型煤矿的机械化综采、综掘率分别为5 9 7 8 和1 8 0 3 ，全国平均采煤机械化水平还不到4 8 。全国共有小煤矿2 2 万处，装 备差，用人多，生产效率低，机械化、半机械化几乎为零。全国目前尚有2 0 0 万职 工在从事手工采煤。我国煤矿事故死亡人数是世界上主要采煤国家死亡总人数的4 倍，保证煤矿职工的生命安全和国家财产是煤炭工业可持续发展的前提，煤矿安全 生产形势的好坏直接关系到我国国民经济的能源供给。 2 0 0 5 年国家出台多项政策、采取多项措施加强煤炭安全生产，加速煤炭行业的 产业技术升级步伐。煤炭行业的生产方式将经历一个从“炮采”向“机采”、由人工生产 向机械化和自动化生产的转变。大力推进矿井的高产高效建设，创造了安全生产好 的局面。 煤炭行业中长期规划要求将提高煤炭企业技术水平和机械化综采能力、推广洁 净煤技术、绿色矿山作为技改的重点。要求到“十一五”期末，国有大型煤矿采掘机 械化程度由目前的8 0 提高到9 5 以上，中型煤矿由目前的4 0 提高到8 0 以上， 小型煤矿机械化、半机械化由目前几乎为零提高到3 0 ；大中型煤矿科技进步贡献 率达到4 0 以上。这为煤机产业的发展提供了市场空间。 国有煤矿的开采主要是地下开采，我国具有的是条件复且多样性杂的煤层，煤层 厚都在o 点几到几十米之间，要进行煤炭的开采，就要开通非常多的煤岩巷道：单 煤巷与半煤岩巷进尺量能占到8 4 7 左右；2 0 0 6 年的原有国家的重点煤矿实现7 5 7 8 的综采机械化，但综掘只有2 5 8 7 的机械，综掘的发展远滞后于综采。要想同步 机械化采掘的发展，适应目前综采工作很多的情况，机械化应达到大于5 0 的综掘 量；由于发展综采的技术，年产量几百万吨的矿已出现、甚至还有的工作面达到千 万吨级。煤矿生产中掘进、回采是生产环节中非常重要的，煤矿生产的安全与能力 取决于采掘技术和采掘水平的装备。掘进和支护机械化的高效能保证高产高效矿井 的实现，代表着掘进技术发展的方向 目前，中国的煤炭的发展，自主设计和制造的机械和电气设备，煤炭开采已被 广泛使用在中国的各类煤炭，中国的主要煤炭行业的技术和设备。在我们目前的1 7 7 河北科技大学硕士学位论文 高产现代化矿井，9 0 的国内高产成套矿山采用机械化开采，综合挖掘设备。中国 煤炭设备行业已成为中国煤炭行业可以信任的“装备部”进行的各类煤矿企业对中国 提供技术装备的重要任务。 据c o a l 杂志2 0 0 8 年统计，2 0 0 5 2 0 0 7 年，我国煤炭机械市场总量分别为：1 2 2 亿元、1 5 9 亿元和2 7 8 亿元。根据中国煤炭行业的发展趋势，该杂志预测，未来几年 内中国煤炭机械市场仍将保持高速增长。煤炭装备制造业市场前景将十分广阔， 本课题研究的意义在于实现掘进机械自动化，电控系统更稳定、可靠，从而大 大提高掘进效率，减轻工人劳动强度，保证高效、安全生产。 图1 1 悬臂式掘进机 2 ) 应用前景 图1 2 电控箱 2 第l 章绪论 煤炭装备制造中的煤矿专用设备，主要是指井下开采设备、井下掘进设备、煤 炭运输设备、井下供电系统、安全保护仪器及救护设备、安全监测系统、井下电控 及照明、矿井通讯及调度控制设施和矿井辅助运输设施等机械制造业。 煤炭的机械化从悬臂机械化隧道掘进机，装载机，伸缩带( 或刮板输送机) ，单 螺栓钻机，到通风除尘设备和供电系统和其他设备。悬臂式掘进机，是掘进机械化 煤炭的关键设备，提高了工作效率和进尺，因此掘进机性能好坏具有非常重要的意 义。目前大多数中国的煤炭大马拉小车的方式，半煤巷巷掘进机掘进机的使用，代 替煤巷道支护设备，更提高了设备的可靠性。 二十世纪8 0 年代初，我国曾花大量外汇引进日本m r h s 1 0 0 4 l 型掘进机和奥 地利a m 5 0 型掘进机，随即，开始了国产掘进机开发，并在各大煤矿推广应用。但 是，由于9 0 年代煤炭行业正走在低谷，全国的年生产销售量只有几十台。直到“十 五”期间，经济和社会的发展对煤炭的需求快速增长，使煤炭企业效益上得到改善。 目前，煤矿掘进巷道中大量的是煤巷，约占总掘进巷道工程量的7 0 。煤巷掘进设 备主要是适应经济截割普氏系数闯的煤巷掘进，我国煤巷综合机械化掘进，在我 国国有重点煤矿得到了广泛应用。特别是，这几年关小建大，小煤矿之间的整合速 度加快，造成采掘机械化需求逐年增加。“十五”后期，煤炭形势的好转，使用于煤 巷掘进的煤矿掘进机的需求猛增。 综合市场各种因素的分析，粗略估算，未来五年内，我国每年由新增煤炭产能、 改扩建煤炭产能、已有设备更新所带来的煤炭机械设备采购需求总量约为3 1 6 亿元。 煤炭装备制造业市场前景十分广阔。 3 ) 国内外研究现状 巷道掘进机是一种能够实现截割，装载运输、转载煤岩，调动行走，喷雾除尘 的联合机组。是煤矿生产的重要设备，主要用于巷道的挖掘，以布置采煤工作面。 使用巷道掘进机的目的在于：提高煤矿巷道的掘进速度、掘进效率，降低成本，减 轻劳动强度，改善劳动条件。 我国悬臂式掘进机发展现状： 巷道掘进机在煤炭工业生产中已获得了非常广泛的使用。目前各地中、大型煤 矿中，基本都有巷道掘进机在井下进行生产。它已成为煤矿中最主要、最重要的生 产装备之一。我国对悬臂式掘进机技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，国内研究水平 还停留在轻型掘进机上。产品以截割煤为主，与国外同期机型相比技术水平很低。 真正推广应用则是在1 9 7 9 年引进了1 0 0 余台国外产品。通过引进国外掘进机产品， 并消化吸收其技术，国产化工作也积累了一些设计的初步经验。在此后的2 0 多年中， 我国在引进悬臂式掘进机产品及制造技术的同时，开展了自主研发和规模生产。在 掘进机相关的技术研究、产品制造方面，国内的科研人员也取得了长足进步。 3 河北科技大学硕士学位论文 掘进机和电子控制系统的发展现状：较早掘进机的控制操作，运算电路，一般 安装在防爆箱内，使用传统的继电器电路，动作控制主要是手动开关控制按钮，然 后通过以下的电气触点控制第二交流接触器控制主电路。然后通过以下的电气触点 来启停一级大功率接触器启停主要功率设备。电控水平飞速发展，并开始发展成为 小功率控制中间环节，中间环节再放大控制主回路( 包括单回路和多回路) ，从隔爆 型电控箱向小型控制箱发展，本安控制回路就是这样的控制方式，这样能适应各类 控制的的安全运行和简单选择的控制要求，可编程逻辑控制器的发展走到了一个新 的平台，使掘进机的运行、设计更加可靠。这些年来，小体积，小功耗，高可靠性 隔离和转换设备，其本安型节点控制电路。其中的光电耦合元件已经大量的应用了， 矿方反映非常良好。说明了现在巷道掘进机制技术的前进方向。在国外的一些发达 的国家，巷道掘进机的控制系统除了完能成一些常规的控制，它也有一个遥控器， 可编程的功能，额外的开挖和掘进方向截面自动控制功能，使掘进机，按计划操作， 大大提高自动化程度和掘进效率。 国外掘进机发展状况： 近年来向系列化和多样化、自动化方向发展，截割功率3 0 5 0 0 k w ，机重最轻的 有二十几吨，最重的可达1 8 0 吨。在掘进机远程或自动控制方面，国外发展较快， 研究的新型掘进机可实现掘进方向监控、电机功率自动调节、截割路径循环程控、 离机遥控、切割断面监控等，可使机器的生产率大幅提高，还可以保证截割机构的 截割负荷均匀，避免由于人工操作不当引起的冲击负荷，从而延长采掘机器的使用 寿命。其中英国d o s c o 某重型机上配备了截割头定位装置，德国a t l a s c o p c o e i c k h o f r ( 艾柯夫) 和奥地利s t a l p i n e ( 阿尔卑尼) 分别研制了截割断面和方向控制装置， 日本三井三池研制了切割功率自动调节系统，但由于国内煤质赋存差异较大，进口 的掘进机因难以正常发挥作用，其上述装置常被拆除而作为普通机型使用。 相比国外我们电控系统的水平还有一些问题，这些问题主要表现在： 1 ) 一些元器件基础质量不好： 2 ) 模块电路的内部元器件本身质量存在质量瑕疵，这些模块内部开发设计电路 不完美和抗干扰、抗震等等方面不高，是模块电路不可靠的重要原因； 3 ) 电控系统的设计水平和电控系统制造工艺等，相比一些其他国家还是不高甚 至很低： 4 ) 电控箱抗震动、抗冲击性能差，使电控系统内部的元部件的可靠性差甚至很 差，不能适应截割硬煤岩时产生的震动及井下恶劣的工作条件 5 ) 对于提高巷道掘进的速度方面等设计和设备的配套还是不很满足要求的。 6 ) 电子元器件的选型范围很小、电气保护的件不可靠。 4 第1 章绪论 7 ) 电控箱的很多性能还不能适应通用性灵活性可扩展性准确性及响应速度快速 等一些控制系统需要的性能。 1 2 煤巷与半煤岩悬臂式掘进机电控系统综述 现在的煤矿市场要求我们煤机制造行业做出快速反映，制造出高品质，同时品 种多可靠性高，性能稳定的功能多的产品，为了抓住市场先机，我们的生产设备和 自动生产线的控制系统，和设备本身的控制系统也在向着高可靠，高稳定性和灵活 性的方向发展。可编程计算机控制器( p r o g r a m m a b l el 0 9 i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 的出现 太及时了，他满足了这些功能，它是以高速单片机处理器为基础，而且也是通用工 业控制装置。他有的功能很多方法简单、功能强、适应性强、可靠性高、体积小和 低功耗等许多优点，已经成为机电一体化的重要手段和发展方向。 悬臂式掘进机电控系统的基本要求 1 ) 在掘进机非司机操作侧必须设置能紧急停止运转的紧急停止按钮： 2 ) 应具有开机音响报警、延时接通油泵及切割电机的功能： 3 ) 应该为在掘进工作面和转载点进行照明用的掘进机前灯、尾灯提供照明电源： 4 ) 应设置支护闭锁开关； 5 ) 应设置水压继电器； 6 ) 在掘进机后部转载点应设置音响报警信号发送装置以及能紧急停止运转的按 钮： 7 ) 应设置机载瓦斯检测报警断电仪： 8 ) 在强烈振动工况下能正常可靠地工作。 i 3电控系统可靠性研究 本研究课题就是要在原有的一套掘进机电控系统的基础上，通过对原有的电气 元器件更新换代，淘汰部分电气件，对系统重新优化设计，使用目前国内较先进的 系统控制核心可编程计算机控制器，优化控制程序，提高系统反映速度和通信能力、 保护功能，最终实现电气系统更加稳定、可靠。 1 4 论文的研究内容及安排 本课题将主要对以下几个方面的可靠性问题展开研究： 1 ) 开关量的信号输入隔离及防爆问题解决。替代传统的隔爆型主令控制箱，实 现操作箱的小型化。 2 ) 模拟量的信号输入的隔离和防爆问题解决。适应自动化发展的传感器信号传 输问题。 5 河北科技大学硕士学位论文 3 ) 电控系统控制核心如果采用普通的p l c 将不能满足自动化操作的大数据量， 多任务工作，选择可靠性高、抗干扰性强的进口产品。 4 ) 淘汰落后的分离元件式电机综合保护器，提高可靠性。 5 ) 对系统内电源及传感器的可靠性设计。 6 ) 使用总线通讯方式代替传统的线束，解决腔内接线工艺差，接线复杂，不便 维护的问题。 7 ) 系统共用一个漏电检测装置，提高电气系统供电回路的可靠性。 6 第2 章开关量和模拟量的信号输入隔离的防爆处理 第2 章开关量和模拟量的信号输入隔离的防爆处理 2 1信号隔离器原理及应用 工业中应用的仪器仪表产生的信号有多种，既有小信号其相当微弱为毫伏级， 大信号为数十伏级，也有强信号为数千伏和数百安培级；有低频的直流信号也有高 频信号和脉冲尖峰信号：这些信号在传送的过程中不极易产生失真，而保证原数据 的正确采集传送成为系统实验设计中的非常重要的问题，也是设计者需要研究的主 要问题。 其实，模拟信号不失真和传输无故障在控制装置、现场传感器和现场执行器之 间，过程控制才能保证安全可靠。尤其在大干扰工业环境的小功率模拟信号，各种 各样的外部干扰信号影响其传输时，可靠传输的通道是它们必须的一条线路。日常 的工作经验能够证明：必须小心谨慎的处理和小心谨慎的传输模拟量得信号，设备 要求制约必须做这些工作。现场的传感信号在传输的过程中经常要经历恶劣的环境， 现场传感信号和控制系统采集信号之间会产生较大的失真。 导致模拟信号失真的原因分一下几种： 1 接地环路，当环路中有两处以上对地电阻不等时会产生环流，而这种环流的产 生会导致型号传输过程中信号的失真。如所示下图， 图2 一l 真实接地的环路情况 要不失真而完整使信号传输，理想的情况是，所有仪器仪表有相同的公共点， 这个公共点我们称之为“地”：理想情况下各点对地电阻相等，但实际情况对地电阻 随传输距离增加而增加，使得不同点对地电阻不同，产生测量误差。 2 回路测量之间的连接问题，原理下图所示。在这几种测量回路中，因为接通了 多个信号的回路，参考点电压要将而升高。 7 河北科技大学硕士学位论文 设备一设备二设备三设备四一 图2 2 被测量的回路 如上图这种测量回路中其间相互连接的，由于不断增加线间的电阻，直接会引 起各点参考电压间的不断高升。 3 电磁干扰的问题，这中干扰是比较常见的，尤其在距离长还有较大干扰的工 业的环境中。感性和容性干扰很难避免的中相互参杂在测量回路的情况。 解决电磁干扰主要有一下三种方式： 方式一选择接地回路少的仪器仪表作为现场设备，在整个测量过程中只有一个 接地回路，但这种方式也存在缺点，有些设备不接地会对人身安全造成危害：有些 设备经过长时间的腐蚀等会产生新的接地点。 方式二选取两个地方作为试验点，保证这两个地方的参考电压相等，但由于实 际测量环境的限制使得这一方案很难实施。 方式三也是目前在工程中我们实际采用的方法就是在环路中添加信号隔离器。 这样在信号传输过程中直接切断直流回路，而信号隔离器不影响采集信号的传输， 从根本上解决的信号失真的问题，提高了测量的准确度。具体方式如下图： 信号隔离器一 图2 3 可靠信号的隔离器 s 第2 章开关量和模拟量的信号输入隔离的防爆处理 有些设备也有信号隔离功能，如d c s 的隔离卡键和变送器，但是他们存在一定 的不足，如价格昂贵、而有些技术指标如隔离强度、抗电磁干扰能力、应用灵活性 等方面差，不能解决信号变换和信号分配的问题。 信号隔离器的原理图2 4 ： 广+ ，v i n p u 了：r ： l- 。： + 1 0 u t p u t - j u + ) p o w e r v i 一) j 9 i n p u ls h u mr e 到甜o ra n a c h e dl d rc u r 旭n im p i l l 图2 4 信号隔离器 图中可以看出，隔离器实现了输入输出电压、输出电压与电源电压、输入电压 与电源电压之间隔离，无需接地回路，给设计带来便利。增强稳定性和抗干扰能力。 另外，这种隔离器具有极强的滤波和信号处理能力，能够接受各种传感信号。 隔离器主要技术指标如隔离强度、精度、温度系数、响应时间、绝缘电阻和负 载电阻。 1 隔离强度：指的输入输出电压、输出电压与电源电压、输入电压与电源电压 之间的耐压能力，是单位：v ，m i n u t e 。其耐压能力越大，隔离效果越好。 目前，市场上的信号隔离器的隔离强度分为2 0 0 0 v 1 分钟，1 5 0 0 v 1 分钟， l o o o v 1 分钟，5 0 0 v 1 分钟等几个级别。比如：日本m s y s t e m 和美国a c i 的 信号隔离器隔离强度为2 0 0 0 v 1 分钟：其他国外品牌能做到1 5 0 0 v 1 分钟；而目 前国内的几个品牌也能做到1 0 0 0 v 1 分钟，甚至1 5 0 0 v 1 分钟的隔离强度。 2 精度：这是衡量信号隔离器质量的重要指标。 3 温度系数：指的是精度变化随温度变化的情况， 4 响应时间：指的是信号隔离器的响应速度。 5 绝缘电阻：隔离直流电源的能力。 6 负载电阻：体现带负载能力。 2 2 信号输入隔离及防爆问题 l 、传统开关量控制方式是开关元件部分安装在隔爆箱体内，通过隔爆传动机构 连接箱体内的开关元件，来实现开关量控制。隔爆箱体要求做隔爆处理，体积很大， 而且传动机构也要做隔爆处理，工艺复杂，故障率高。 9 河北科技大学硕士学位论文 为了解决上述问题，我们设计一种能将操作部分小型化防爆的操作箱体，而且 要不影响主操作的系统的防爆。 一般隔爆电路功率较大，且主要应用在大功率动力用电设备的控制，但是比较笨 重。 而本案电路体积小，应用灵活，安全可靠，但由于功率较小，不能驱动动力用电 设备； 结合两者的优点，我们设计了一种本安电路和隔爆电路相结合的控制系统，在大 功率驱动部分我们用隔爆电路，在小功率的操作和保护部分，我们采用小巧灵活的 本安电路。在两部分电路结合处采用高隔离电压的固态继电器隔离，且固态继电器 放在隔爆腔内，这样即使在隔爆电路出现火花故障源时，由于固态继电器的隔离作 用使不会引起本安电路出现火花。 本 安 区 隔 爆 区 图2 5 安全栅 开关量的信号输入隔离及防爆问题的解决，替代传统的隔爆型主令控制箱，实现 操作箱的小型化 2 、解决模拟量的信号输入的隔离和防爆问题，适应自动化发展的传感器信号传 输问题。 选择模拟量信号检测型安全栅，接收来自危险场合的电流或者电压信号，将其隔 离传输到安全区域以标准信号输出。同时可以向危险场合提供一路隔离电源。性能 参数如下： 防爆标志e x ( i a ) i i c 通道数单双通道传输精度士o 1 f s 危险区允许输入信号直流电流：4 2 0 m a 输入阻抗：5 0 q 供电电压：空载不高于2 6 v 满载不低于1 8 v 安装方式3 5 栅导轨安装 国家防爆电气产品质量监督检验中心( c q s t ) 防爆认证参数( 1 、2 、3 端子问) ， ( 7 、8 端子问) ： u m = 2 5 0 u c 1 2 5 v d cu o _ 2 8 4 v ，i 萨8 8 m a ，p o = 6 2 4 m wl ic ： c o = o 0 5 5 心，i 舻3 2 m h ， i ib ：c o = o 4 4 心，【舻1 2 8 m h ，na ：c 0 ：l - 4 5 心， 驴2 5 6 m h ，输出负载能力3 0 0 q 功耗1 3 w ( 单路2 0 m a 输出) 2 4 w ( 两路2 0 m a _ 一 l o 第2 章开关量和模拟量的信号输入隔离的防爆处理 输出) 面板指示灯仪表正常工作时，指示灯p w r 常亮；输入信号故障报警时，指示 灯a l m ( 双通道为c h l 、c h 2 ) i = 尺l 烁。 图2 6 安全栅 2 3 本章小结 开关量的信号输入隔离及防爆问题的解决，替代传统的隔爆型主令控制箱，实 现操作箱的小型化，又降低操作传动机构复杂工艺和故障率，使操作更加稳定、可 靠；选择模拟量信号检测型安全栅，接收来自危险场合的电流或者电压信号，将其 隔离传输到安全区域以标准信号输出，模拟量的信号输入的隔离和防爆问题，适应 自动化发展的传感器信号传输问题。 第3 章掘进机电控系统p l c 控制的研究及改进 第3 章掘进机电控系统p l c 控制的研究及改进 为满足现代煤矿井下掘进工作的要求，掘进机属于小批量多品种，多规格， 低成本和高品质的产品，要求整体控制系统具有较高的可靠性和灵活性。可编程控 制器( p r o 阴硼m el o g i cc o n t r 0 i e r ，p l c ) 是一个基于微处理器的通用工业控制装置， 它具有编程方法简单、功能强、适应性强、可靠性高、体积小和低功耗等许多优点， 它与其他电气元器件的合理搭配而成的电控装置，也已经成为煤矿设备机电一体化 的重要手段和发展方向。 3 1悬臂式掘进机电控系统的基本要求 1 ) 在掘进机非司机操作侧必须设置能紧急停止运转的紧急停止按钮： 2 ) 应具有开机音响报警、延时接通油泵及切割电机的功能； 3 ) 应该为在掘进工作面和转载点进行照明用的掘进机前灯、尾灯提供照明电源； 4 ) 应设置支护闭锁开关； 5 ) 应设置水压继电器； 6 ) 在掘进机后部转载点应设置音响报警信号发送装置以及能紧急停止运转的按 钮； 7 ) 应设置机载瓦斯检测报警断电仪； 8 ) 在强烈振动工况下能正常可靠地工作。 3 2 悬臂式掘进机电控系统的控制要求 1 ) 设备控制信号：掘进机司机在进行操作时，必须按顺序要求，顺序启动多个 电机( 油泵电机、转载电机、刮板运输电机) 和马达。在启动每个电机之前，装置 必须检测电机的绝缘电阻值，如果绝缘程度不好的话，那么电机控制电源不能通电 ( 锁存输出绝缘) 。此外，每个电机有其自身的漏电和过温保护，过载保护切断电 机以及相和短路保护 2 ) 电气设备或工作流程和关系 首先，油泵电机，必须开始的第一道工序，开始之前，其他动力源不能动作。 a 马达：在启动马达之前，必须保证油温、油位在合理范围内。在它启动时，当油 温、油位异常时，必须延迟后关闭。 b 转载电机：在控制台上的旋转开关启动的起始位置，可以启动电机；除控制台停止 旋转开关，远程停止按钮可以停止它。 c 刮板电机：只有转载电机启动，才能启动刮板电机，以免电机超负荷，刮板电机 正向和反向之间的启动有电气连锁的。 1 2 河北科技大学硕士学位论文 d 行进电机启动，要求释放两个制动闸， 机运行，正反向实现掘进机前进，后退， 进电机自锁保持运转方向。 两个旋钮可以通过控制台控制掘进机的电 左，右。要求电机的正反转闭锁，并且行 e 切割电机和喷雾电机控制，首先在启动前应确保安全；启动电机时两只手必须同 时操控控制手柄，主电机启动前8 秒报警，主电机内喷在运行第3 秒开始。两个旋 钮在任何位置停止两台电机达到急停目的。 f 刹车制动控制用于运行电机，电力制动释放，失效制动功能。因此，任何一台电机 的行走动作必须要求释放制动状态。 3 3p l c 电控系统的设计 为了实现系统要求计算数字量、模拟量输入，输出数量，将输入信号输入到p l c 中，p l c 输出各种经过运算的输出信号，选择好p l c 以及特殊功能模块，即硬 件设计，其次要按照控制关系要求编制p l c 梯形图，即软件设计。 1 ) p l c 电控系统硬件设计 此p l c 电控系统，采用控制器实现采集控制信号和实现主回路的控制通断，以 及故障发生时，实现综合保护、显示故障状态。其硬件电路主要包括主腔门盖、操 作箱、主回路板和接线箱等部分。 主回路接线控制板板主要是由真空交流接触器( 接通闭合及拉开分断所控交流 电动机的高压电路) ，低压控制变压器，低压一次熔断器和低压二次空开，电流变送 器，低压继电器；真空隔离换相开关，过电压吸收器等部分组成。主腔门盖主要包括 稳压电源s p u ( s t e a d yp o w e rs u p p i y ) 、可编程控制系统p l c ( p r o g 阳m m a b l el o g i c c o n 仃0 l l e r ) 、传感器s ( s e n s o r ) ，继电器r ( r e l a y ) 以及多芯插座s 0 c k e t 、扩展模块e m ( e x p 锄d i n gm o d u l e ) 以及中继电源板i 心b ( r e l a yp o w e rb o a r d ) 等部件。操作箱主要由显 示屏、万能转换开关和行程开关组成。 第3 章掘进机电控系统p l c 控制的研究及改进 u l u ， - 秉电i i l il 捌电j l l i i “，2 n 二遥电氛i 抒电曩 图3 1 主电路图 n 。i 1 j t 置_ l i i - - ， 1 i- ： - i。卜一h i奠不曼矗 i 膏 玎l l 奉譬t - 1 l ：i i l量 - _ - _ 1 l n t 啪 0 曲i - l - 担：龌霉 i 什再 r 1 1r1 t 。mi m：￥薯 l t j 。i i 娜 瑚。一掣 习小博 n i ：i 呻咖i 蒴 r 口_ 下 1。 一r i nt l n 一_ o l ll ii il 艄m ，。l li3控制电路l 14 河北科技大学硕士学位论文 圈勰隔骢 嗡刊嵴制咩h 咩料 ln 岫i柚硼- ：。f0 小二 2 ) 系统软件的设计 图3 3 控制电路2 图3 4 控制电路 _ 押 口一 辍离 _ 且一! _ u 蔓 设计中上要注意系统每个电机的启动顺序、闭锁关系以及电机保护其中重要 1 5 ”l lnl ，1 l ， 卜p n i 附t 巾 n 扣 嘲 li， uni ， - t 置ii l l t l 鼍i l - - -打-鼍i-l - 乞膏li-，i l i il l i 第3 章掘进机电控系统p l c 控制的研究及改进 的是电机的转向控制及保护，油泵电机单向控制，系统控制逻辑过程的梯形图如下： 梯形图中m 2 2 2 ，m 2 2 3 m 2 3 4 作为控制器p l c 的中间变量，定时器t 3 5 t 3 8 为p l c 时间控制变量，t 3 5 的作用是延时5 秒，给周围工作人员警示，然后可以启动油 泵；在油泵电机启动后，主电机才能启动。t 3 8 用于主电机启动预警1 0 秒，要求司机 保持操作起动旋钮或者按钮l o 秒，主电机方才能起动；定时器t 1 0 计时器用于计算 主截割机带负载运转时间，t l o 具有断电保持功能。司机可以方便的观察运行多长 时间。还可以计算大修时间。编程时要对照节点编号p l c 才能识别。 1 6 河北科技大学硕士学位论文 虹m - 搿杵砰 姒聊警嘴w种。 虹：2i 7 t a l 如“t ln ：t 弘 啦i ： 锄一f j fl f+ fi io t o 一i 陋 i t 啪 一f 【蛳 功 t l i陋 “ t l f陋 l ”i zi 2拍i st l 也2 2 鞠骈 一i i l l i l b 埘2 一l i i m 1 3姗： 舢一射门轩l l q 到 鞫 畸 3 4 本章小结 图3 5p l c 梯形图 根据试验和比较，最后选用进口欧版三菱f x 2 n 系列p l c ，其编程简单、可靠性 高、抗干扰性强、适应性强等特点，使该掘进机系统具有操作简单、可靠性高、维 修方便等优点。可满足煤矿井下工作各项技术条件，是一种较理想的系统。 第4 章软件电机综合保护器 第4 章软件电机综合保护器 随着工业生产的不断发展，对设备的自动化水平的要求越来越高，对电机可靠 运行的质量要求也不断增强。大部分由分离组件组成的电子电路、器件和电路，可 靠性和灵敏度的等原因，传统的电机保护装置或集成电路的可靠急需解决。随着现 代科学技术的不断进步和控制技术不断优化，亟待需要研制和完善能够满足现代工 业自动化的要求，并且能及时，有效，可靠的对电机可靠运行起到保护作用的电机 控制和保护设备，将对装备机械制造业发展乃至国民经济快速增长都具有重要意义。 为此，保护好电动机问题的焦点在与需要研发一种性能较稳定可靠、保护品种 齐全，并且要求保护动作响应速度要快、反映灵敏度要高、简单、方便、实用的功 能综合的电动机保护装置。随着科技进步和当今电子应用技术的迅猛发展，智能继 电保护技术的已经成为必然的发展趋势，这样才能实现利用p l c 可编程控制器为核 心而设计的电动机综合保护装置成为一种可能。 这种保护装置具有体积小、安装方便、功能选择性强和灵敏度高的特点。在运 行中稳定可靠，能够及时检查和测量电动机运行时的绕组短路、负载过负荷、绕组 绝缘、电源缺相等故障情况，并能根据故障的上述种类在不同的时间内给出各异的 响应信息，把故障信息通过总线的形式上传送到p c 机或其他显示装置，故障情况一 目了然，便于及时发现问题和后续进行解决，保证电机正常运行，等故障解决后， 再将保护装置复位，这样电机又可进入下一步正常工作状态。 4 1p l c 电动机综合保护器的功能特点 以往电机保护采用热继电器，电机故障后继电器跳开，电机停止运行。但这种 保护不可靠，时常误动或拒动，烧坏电机。为了解决这个问题，研发了一种以p l c 为核心的电机综合保护器。该保护器采样时，采用了精准的模拟量数据输入模块， 输出的频率也提高很多，并且能非常准确地检查和测量到电机的事实电流，并与当 初计算设定的数值相比较，做出相应判断，为电机的正常运行提供更准确，更可靠， 更良好的保护措施。保护器的特点如下： 1 ) 有电机的线圈短路保护，负载过负荷保护，电机线圈缺相保护，线圈绝缘保 护等各种电机故障保护，实现可靠的保护功能。 2 ) 增加了总线输出，程序编制的远程化各种保护参数设定，提供新型电子通 信产品，计算机控制网络，可单独使用或分发的现场总线，提供保护和在线监测和 管理系统的信号等。 3 ) 设置电流的线性调整，数量多。用户可以大小设置当前的电机额定电流及保 河北科技大学硕士学位论文 护时间，瞬间设置成功。克服同类产品在国内和国外应带载调试整定电流，准确， 方便用户设置的一些缺点。 4 ) 价格很低，性能很好。 5 ) 体积较小且有相同的安装尺寸和热继电器相比。 4 2 p l c 可编程控制器电机综保硬件的设计 电机综合保护p l c 的硬件电路如图l 所示。本图包括以下部分：电流采集整定 部分，模数转换部分，c p u 微控部分，复位电路，继电器动作输出部分。 为了及时检测电机的各种运行参数，综保使用三个电流互感器，对电机运行电 流的实时采样，然后采集的电信号经过整定，通过样品变压器保护传输到d 转换 模块，采样后的模拟量输入模块将当前值和参考电流设定电流增益值转换为数字后 发送给p l c 处理，由主电路电流的实时采样与参考电流输出值比较，以确定c a n 数据转换电路的工作状态和电机的输出信号。1 2 位d 采集模块，精度高，这是 电路，它是用来提高电机保护器的准确性的主要元件。 图4 一l 电动机软件综合保护原理图 4 3p l c 可编程控制器电机综保软件的设计 系统的软件流程图如图2 所示。可以看出，新的电机综合保护器的电机故障保 护的整个过程的实现数字化。在软件设计过程中要充分考虑设计软件的对外界抗扰 技术，采用软件故障检测系统同时采用两套独立系统同时运行。 四个主要程序模块的软件设计如下： 第一个模块的初始化模块，如端口定时器，中断优先级，模数转换，取样保持 等： 第二个模块是一个信号处理部分，包括数据收集，数字过滤，计算，检测电机的运 行情况，计算机完成的各种故障判别并进行分析： 1 9 第4 章软件电机综合保护器 第三个模块是监测和故障处理部分，完成电机控制程序，显示故障原因和停机的后 续处理：第四个模块是频率输出处理部分，主要是现场发生的频率信号到主机电脑 显示器，为通信工作做准备。 图4 2 程序流程图 2 0 河北科技大学硕士学位论文 一个数据采集系统的信号处理模块是软件设计的着重点，因为它关系到系统的 稳定可靠性和保护装置的准确性，该模块的选用是下面的重点。系统在工作的时候， 由于收集到的数据所造成的各种干扰是不准确的的，它必须使用过滤软件，以收集 数据，也就是要测量的连续采样n 次，去掉一个最高和一个最低值，然后，获得余 下的算术( n 2 ) 的平均有效样本数。删除由偶然因素或抽样误差造成不稳定和其 他毛刺的波动造成的一个最大和最小是可以克服的。过滤方法使用算术平均滤波器， 采样点，n 的平滑度会更好，但敏感性差，因此该系统的价值采取了n1 6 。下面是 示例程序流程图如图3 所示。 图4 3 内部采样的原理图 在超负荷保护的选择方面，根据不同层次的过载保护国家标准，通过的保护时 间来加以区分。这个过程主要是用来控制热量累计经营过载时间，所以，超载模式 可以更接近电机，全电机过载的实际操作，并能可靠地保护电机。此程序的设计目 的是经过详细的计算和过程分析判断，确保程序的运行能在一定时间内有效地完成， 从而防止程序溢出或运行太短。 这种电动机综合保护器已研制出成品，经过大量试验及现场试用证明该保护 装置对电机在实际运行中出现的短路、过载、断相、漏电等各种故障有很好的保护 作用。 4 4 本章小结 该电机综合保护器在采样时，采用了精准的模拟量数据输入模块，输出的频率 第4 章软件电机综合保护器 也提高很多，并且能非常准确地检查和测量到电机的事实电流，并与当初计算设定 的数值相比较，做出相应判断，与传统热继电器相比，能为电机的正常运行提供更 准确，更可靠，更良好的保护。 第5 章控制单元和传感器的c a n 总线通讯 第5 章控制单元和传感器的c a n 总线通讯 5 1 c a n 总线的产生与发展 c a n 总线也称为控制器局域网( c o n t o l l e ra r e an e t 、o r k ) ，是由世界著名的汽车 电子产品研发、制造公司b o s h c h 研制开发的，最终形成国际通用的现场总线 i s 0 1 1 8 9 8 国际标准。由于其能适应恶劣的环境温度、高频振动和强电磁辐射环境， 因此，被广泛应用于汽车、工业自动化、楼宇自动化、电梯控制等实时分布式系统。 随着计算机技术日新月异的进步，其在工控系统上的应用也更加广泛并发挥出 巨大的作用。工控系统必须满足传播负载、使用范围广泛、风险分散和地域分散的 分权体制要求才能达到高可靠性和灵活性，因此，分布式工控系统应运而生。它将 计算机技术、自动控制技术、通信技术、c i 盯显示技术和转换技术紧密联系在一起， 使其适合的范围、扩展性、维护性和抗故障能力大幅提高，比传统的仪表控制系统 和计算机集中控制系统更加先进。 现场设备、接口设备、通信和计算机设备构成了典型的分布式控制系统。工业 现场总线可以满足过程控制和制造自动化的需要，成为工业数据总线领域的重点。 工业控制上急需高性能和低成本的现场总线控制系统，现场总线恰好可以满足这种 要求。同时，刚开始现场总线的开发和应用百花齐放，使得现场总线技术大幅进步， 为现场总线的标准化提供了坚实的基础。控制器局域网络c