［摘要］针对现有煤矿用掘进机电气控制系统存在的稳定性差、运行效率低、数据传输实时性差问题，基于紧凑型EPECPLC控制器设计了新型掘进机电气控制系统。根据煤矿综掘工作面掘进机工艺流程，给出掘进机电气控制系统架构以及软硬件设计方案。分析掘进机电气系统功能并进行模块划分，利用CAN总线通信、模块接口函数实现模块间数据交互。实际使用结果表明，该新型掘进机电气控制系统能够提升掘进机工作的稳定性、可靠性，提升数据传输的实时性。
［关键词］PLC控制器；CAN总线通信；模块化设计；控制系统；掘进机
0引言
煤矿新型掘进机主要由机械、液压、电气3大系统组成，协同完成掘进任务，工作模式依赖掘进机司机手动操作，自动化水平较低，易出现超、欠挖现象［1］。掘进机电气控制系统自动化程度直接决定了整机智能化水平，其研究成果主要有以下几个方面：①以DSP、单片机为核心的控制系统，构建了掘进机智能控制系统，解决了传统掘进机控制系统存在的采集数据实时性差、模块间通信困难以及控制系统自适应能力受限的问题［2－3］；②以PLC控制器为核心的控制系统，以CAN/CANOpen总线通信模式为数据传输手段，实现了对掘进机的工作控制、状态监测以及保护［4－5］；③以嵌入式软PLC为核心的控制系统，通过对实时操作系统进行裁剪、驱动组件开发、实时系统移值，实现了掘进机的逻辑控制、遥控控制、远程监控、自动截割成型、截割路径规划以及巷道断面自动成型等功能，解决了使用PLC控制器、DCP、单片机等开发成本高、维护工作量大的问题［6－8］。本文针对PLC控制系统特点，采用了集成度高、性能优越、功能完备的EPEC控制器为核心控制系统，解决了传统PLC控制系统成本高、扩展模块多、防护等级低的问题，能够满足煤矿井下综掘工作面使用需求，降低了掘进机故障发生率，提升了掘进效率。
1系统架构
煤矿新型掘进机电气控制系统以EPEC控制器为核心，系统架构如图1所示。根据掘进机工艺流程，EPEC控制器的DI、AI、DO、AO以及通信的功能和数量能够满足电气控制系统要求。其中，EPEC控制器自带的PWM接口可直接控制比例阀，实现对掘进机左右履带行走比例阀组以及悬臂柔性升、降的控制；EPEC控制器支持CAN、CANopen、RS485以及Modbus通信，掘进机本安操作箱、电流变送器以RS485总线通信模式实现控制指令、周期性数据的传送，以CAN总线通信模式实现与掘进机遥控接收器、状态监测箱以及电磁阀组控制箱的数据、指令交互；模拟量输入接口支持标准在4~20mA的电流信号以及宽度在-10~10V的电压信号，实现对油温、油位、位移、倾角、电压等传感器数据的周期性采集并完成A/D转换［9］；模拟量输出接口可直接完成对掘进机照明灯、瓦斯断电仪、声光报警器等电气外接设备的控制；数字量输入接口采用闭环接线方式实现对掘进机漏电闭锁、急停、漏电监视等数字量信号的采集与处理；数字量输出接口用于控制掘进机电气控制系统中的截割、泵站、输送、二运、喷雾等电动机的启动、停止。
2硬件设计
煤矿新型掘进机电气控制系统硬件设计主要包括电气控制箱内部、外部电气元器件的选型、电气原理图设计以及外部接线图设计3部分。控制器选用EPEC3724控制器，该控制器紧凑、防护等级高、接口完善、计算能力强大，能够满足掘进机电气控制要求；油温、油位、电压等传感器设备均选用矿用隔爆兼本安型设备，供电电源为DC24V，输出信号在4~20mA电流信号；隔离栅选用的型号为威斯特MID-002，可完成对电流信号、电压信号以及通信信号的隔离［10－12］。根据选定的电气元器件的电气特性进行电气原理图设计，遵循输入、输出以及模块化设计思想进行EPEC控制器地址分配设计。对掘进机电气控制系统外部元器件接线图采用局部放大模式进行设计，方便接线工人查看并准备掌握接线方法。新型掘进机电气控制系统PLC地址分配情况如表1所示。
3软件设计
煤矿新型掘进机电气控制系统软件设计基于CodeSys3.5软件平台，采用结构化ST语言编程实现。根据新型掘进机电气控制系统功能，将软件系统进行模块划分，分别编程完成模块功能，采用接口函数方式实现模块间的数据交互和调用。设计的软件系统主要分为延时、初始化、掉电存储、通信、系统状态管理、电动机管理、状态判断7个模块，其中通信模块又分为电流变送器通信、显示器通信、操作箱电动机控制通信、遥控器控制、PWM控制以及显示箱通信6个子模块［13－14］。在检查掘进机电气控制系统内部、外部电气元器件接线正确的情况下，系统上电，上电后系统延时5s开始执行初始化程序，如程序中用到的变量、内存地址、定时器（计数器）的初始化；初始化完成后，同时启动3个Task，同时执行调度存储子程序、通信子程序以及系统状态管理子程序，以保证系统响应的实时性和准确性；掉电存储子程序用于存储、保持当前电气控制系统设置，如掘进机累计运行时间、未解决故障提示信息等；系统状态管理子程序用于完成对掘进机工作状态的控制和切换，并完成对各电动机的管理，如油泵电动机运行状态、截割电动机运行状态、自动截割状态等；该软件系统以CAN总线通信分别完成PWM控制、遥控控制、操作箱控制等功能，在通信子程序中需要完成编写模块接口函数功能时，只需调用该接口函数并正确设置输入变量即可。软件主流程如图2所示。
4应用效果
设计的新型掘进机电气控制系统应用于EBZ160型悬臂式掘进机并在某煤矿综掘工作面进行工业性试验。试验结果表明，该新型掘进机电气控制系统运行正常，传感器数据采集精度、实时性高；掘进机在工作过程中产生的振动、煤粉、滴水对电气系统影响较小，故障发生率低，提高了掘进机工作效率。据现场掘进机司机反应，在利用操作箱控制掘进机时，掘进机动作滞后性降低、灵活性增强且操作方便，通过显示箱能够及时、准确地掌握掘进机运行状态和故障信息，体验感较好。
5结论
本文以集成度高、紧凑型EPEC控制器为核心完成了煤矿新型掘进机电气控制系统的设计，得出的结论如下：（1）以高可靠性、高防护性的PLC控制器为核心的掘进机电气控制系统能够满足煤矿实际需要，可降低掘进机电气控制系统开发难度并提升稳定性。（2）基于CAN总线通信设计，可简化硬件接线设计，增强系统运行的可靠性。（3）采用模块化编程思想，使得模块间的耦合性、联动性、实时性更好，提高了控制系统的运行效率。
作者:杨陆明 单位:晋能控股煤业集团赵庄二号井
