采煤机电气控制系统设计

中文题目：采煤机电气控制系统设计外文题目：DESIGN OF ELECTRICAL CONTROL SYSTEM OF SHEARER 共 83 页（其中：外文文献及译文 28 页）图纸共 2 张完成日期201 年 月 答辩日期201 年 月摘要煤炭是目前乃至未来相当长的一段时间内我国的主要能源，也是重要的生产原料。占我国可燃矿产资源可采储量的90%以上，在我国目前的能源消费中占70%以上。一直以来，我国的燃料结构长期以直接烧煤为主，燃料煤的耗用量占我国原煤产量的84%左右。在能源结构中约占58.8%。由于我国的燃烧技术滞后，大部分都是直接燃烧原煤，对燃料煤质量无统一标准。因而，燃烧效率低，污染严重，不但浪费煤矿，而且经济效益差。采煤机是主要机械之一，提高设备效能，对于保证矿山生产的发展方向，人身和设备安全，提高经济效益，都具有深远影响。本文针对采煤机电气控制系统中存在的有关问题，把可编程序控制器，变频调速技术等应用到采煤机电气控制系统中。通过电机和变频器的选定，再通过PLC进行编程，实现对采煤机的控制。本文采用西门子系列的PLC对采煤机电气控制系统进行编程，编写梯形图，再采用STEP 7-Mircro/WIN 32 编程软件实现对编完的PLC进行监测等过程。采用PLC后，克服了原继电器系统的不足，系统安全可靠，性价比提高，且控制程序可根据需要修改，对提高控制技术水平具有广阔的应用前景。关键词：采煤机；自动化控制；PLC；电气控制IAbstractCoal is Chinas primary energy in the present and future for a long period of time, it is an important raw material. Combustible mineral resources in China accounted for more than 90% of recoverable reserves, in our current energy consumption accounts for more than 70%. All along, Chinas fuel mix of long-term direct coal-based, around 84% of the fuel consumption of coal accounts for Chinas coal production. Accounting for 58.8% of the energy mix. As Chinas combustion technology lags behind, most of them are the direct combustion of coal, fuel coal quality without uniform standards, let alone to implement the right path supply depending on the furnace. Thus, combustion efficiency, pollution is serious, not only a waste coal, and poor economic performance.Shearer is one of the main machinery, improve equipment performance, to ensure the development direction of mine production, personnel and equipment safety, improve economic efficiency, have a profound impact. In this paper, issues related to the electrical control system shearer exist, the programmable controller, frequency conversion technology applications to Shearer Electrical Control System. Selected by the motor and the inverter, and then through the PLC programming, control of the shearer. In this paper, Siemens series PLC Shearer electrical control system is programmed to write the ladder, and then using STEP 7-Mircro / WIN 32 programming software to the PLC End programmed to monitor other processes. With PLC, to overcome the shortcomings of the original relay system, the system is safe and reliable, cost increase, and the control program can modify if necessary, to improve the control technology has broad application prospects.Key words:coal mining machine;automatic control;PLC;Electrical controlI目录1 绪论11.1 电牵引采煤机国内外发展及特点11.1.1 电牵引采煤机国外发展状况11.1.2 电牵引采煤机国内发展状况11.2 研究背景和意义21.3 本设计主要设计内容32 采煤机介绍42.1 采煤机主要结构42.1.1 采煤机截割部42.1.2 采煤机牵引部52.1.3 采煤机电气部分52.1.4 采煤机辅助装置52.2 采煤机工作原理62.3 采煤机电机选型62.3.1 截割电机选型72.3.2 牵引电机选型72.3.3 泵电机选型72.4 采煤机控制系统特殊要求83 采煤机电气控制系统总体设计方案93.1 控制系统总体方案设计93.2 监测系统硬件设计93.2.1 温度传感器的选择与应用103.2.2 压力与流量传感器的选择与应用113.2.3 瓦斯传感器的选择与应用133.2.4 电压传感器的选择与应用143.2.5 电动机振动传感器的选择与应用163.2.6 电动机电压、电流检测系统设计173.2.7 电动机过载保护183.3 PLC中央处理模块的选型设计213.3.1 PLC的CPU模块选择214.2.2 扩展模块的选择253.4 PLC控制系统接线设计263.4.1 按键和PLC接线设计263.4.2 传感器和PLC接线设计273.4.3 继电器接触器和PLC接线设计283.5 采煤机电控系统主接线图设计283.5.1 截割电机接线图293.5.2 泵电机接线图303.5.3 牵引电机接线图303.5.4 变频器选型313.6 电源选型324 软件系统设计354.1 软件介绍354.1.1 新建354.1.2 编辑程序354.1.3 输入编程元件364.2 牵引电动机启动停止控制374.3 牵引电动机正反转控制384.4 牵引电动机Y降压启动395 技术经济分析416 结论42致 谢43参考文献44附录A 采煤机电气控制系统主接线图设计45附录B 采煤机电气控制系统控制原理图47附录C 译文48附录D 外文文献63辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 电牵引采煤机国内外发展及特点电牵引采煤机是采煤机在机械与电子信息融合方面的一个典型应用，电牵引采煤机是采用电动机直接驱动采煤机的牵引机构，使电牵引采煤机能够在刮板运输机上按照采煤的工艺要求自行变速行进。1.1.1 电牵引采煤机国外发展现状现如今，国外较为先进的采煤机电器控制系统有德国Eickhoff的IPC控制系统，该公司在1976年研发直流电牵引采煤机，并且大体上终止了液压牵引采煤机的研制。20世纪90年代研发的SL系列横向布置交流电牵引采煤机，把截割电机布置在摇臂内部。该采煤机控制系统具备设备状态监控以及故障预报、交互式人机直接对话、在线控制、数据传输等性能。美国JOY公司在20世纪70年代研发1LS多电机横向布置直流电牵引采煤机。该采煤机具备故障诊断图形显示与储存、无线电控制、人机通讯界面、牵引控制和保护等性能。英国LONG-AIRDOX公司在1984年成功研发出首台在摇臂上布置截割电机的多电机横向布置的ELECTRA55V型直流电牵引采煤机，而后又研制出很大功率的直流电牵引采煤机。该系列机型上装置的Impact集成保护及监控系统具备机器监控、负荷控制、采煤机自动走位、区域控制、自动调高、智能化安全联锁、随机故障诊断和数据传输等性能。日本三井三池公司在1987年研发出多种截割电机纵向布置的MCLE-DR系列交流电牵引采煤机。这些系统完成了采煤机的牵引系统控制，司机操作控制，关键系统的故障自诊断和保护。这些优秀的系统不仅可以提高生产效率而且可减少维护工作量，对生产流程的变更提供了可能。1.1.2 电牵引采煤机国内发展现状我国从80年代后期开始研制交流电牵引采煤机，借鉴国外先进的采煤机技术，通过二次开发实现采煤机的研发。1991年煤炭科学总院上海分院与波兰合作，研发出我国首台利用交流变频调速技术的薄煤层爬底板采煤机，随后研发出截割电机纵向布置的交流电牵引采煤机、适用于中厚煤层和较薄煤层的截割电机横向布置的交流电牵引采煤机。研发出全中文界面的PLC控制系统可以与各种机型相匹配，实现无线遥控、端头站控制、电控箱面板控制和变频器箱面板直接控制，电机温度检测和热保护，功率检测、恒功率控制和过载保护。太原矿山机械厂与上海分院合作，在AM500液压牵引采煤机现在有技术基础上改造成MG375/830-WD型交流电牵引采煤机。不久后研发出MGTY400/900-3.3D型和MG750/1800-3.3D型及交流变频调速链轨式电牵引采煤机。到2000年为止国内使用的采煤机以液压牵引为主，技术限制明显，很难满足煤矿高产高效生产要求，因此电牵引采煤机已经成为发展的必要要求。刚开始国产采煤机控制系统经历了继电器、中小规模集成控制等时期。上世纪90年代研发出以单片机和PLC为主要部件的采煤机操作控制系统。煤科院上海分院采煤机械研究所在90年代末期研制出以PLC为主要控制部件的采煤机控制系统。2000年太原矿山机械厂研发了以8051单片机为主要控制部件的煤机控制系统。2002年中国矿业大学为太原矿山机械厂开发了以嵌入式单板计算机为核心的采煤机监控及故障诊断系统，此系统利用i586商业单板机，windows操作系统环境，监控及故障诊断软件利用标准C+开发。2004年鸡西煤机厂开发的以嵌入式一体化工控机为主要部件，外配基于485总显得IO模块的工控机控制系统。目前国内经常使用的是以PLC和单片机集中控制系统。考虑到PLC不防爆，抗振动冲击能力较弱，在煤矿井下适应性弱。功能强的PLC又往往在结构上因为其通用性不够紧凑。目前的单片机集中控制系统，受单片机性能和芯片资源的限制，实现的功能非常简单，难以胜任现代化采煤机日益复杂和高级的控制要求。现阶段我国采煤机主要研制方向有：1）进一步完善、升华交流变频调速牵引系统的安全可靠性；2）研发可靠地危机电气控制系统；3）增强电控系统的监控能力；4）研发四象限运行的矿用交流变频调速装置；5）研发装机功率大、采高大的采煤机以提高煤炭产量和回采率：6）增加采煤机开机率和可靠性的研究。1.2 研究背景和意义采煤机是煤炭机械化生产中最要设备，其能否稳定运行对煤炭生产有着重大影响。研究采煤机电气系统有助于提高煤炭资源利用率；有助于提高工作面的生产效率；提高工作面自动化程度；提高采煤工作的劳动安全性；降低劳动工人的劳动强度。为保证采煤机无故障运行，在采煤机有可能出现故障的各个重要环节上，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自检测以及记录和保护装置。传统控制系统使采煤机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，制定一个更加安全可靠的控制系统有必要。在采煤机控制系统，计算机控制技术和变频技术，原有的煤炭开采机控制系统升级改造中的应用。可编程控制器（PLC）是工业控制最为理想的模式。而在PLC的基础与变频调速装置控制系统，采用先进的矢量控制技术，不仅适合挖掘过程的要求，也将解决采煤机控制电源的整个系统驱动器的一系列问题。1.3 本设计主要设计内容本设计的完成，为采煤机的安全、稳定、经济运行提供保证保障，有效解决了劳动强度高，数据、状态的准确性、可信性要受人为因素的影响这一根本问题。本设计重点对采煤机电气控制系统进行设计，该设计主要内容包括：1） 介绍采煤机应用及其概述。2） 系统总体设计。3） 对采煤机电气控制系统硬件进行设计; A)电动机选型设计，包括截割电机，牵引电机，泵电机选型设计； B)采煤机电气系统启动器及原件选型设计； C)主控模块选型设计；4）软件系统设计。2 采煤机介绍采煤机械是机械化采煤工作面的主要机械设备，担负落煤和装煤任务。本设计以张家口煤机厂为实验平台，选用MG500/1130-WD型电牵引采煤机。如图2-1所示。图中：1-左截割部；2-右截割部；3-左牵引部；4-右牵引部；5-滚筒；6-调高油缸；7-液压传动及电控部分；8-拖缆装置图2-1 滚筒采煤机结构图Figure 2-1 roller shearer structure chart2.1 采煤机主要结构本设计涉及的采煤机为MG500/1130-WD电牵引采煤机。滚筒式采煤机主要由截割部、牵引部、电气系统、辅助装置等构成。其整机主要参数如下： 采高范围 1.83.6m 机面高度 1625mm 滚筒直径 1800 mm 下 切 量 370 mm 铲 间 距 258mm 过煤高度 730mm 装机功率 2500 +255+20 kW 摇臂摆动中心距 7600 mm 截 深 800 mm2.1.1 采煤机截割部采煤机截割机构由左右摇臂、左右滚筒构成，其主要作用是实现采煤机工作面的落煤，向工作面运输机装煤和喷雾降尘。左右摇臂完全相同，一台500KW截割电机横向安装在摇臂内，其动力透过两级直齿轮减速和两级行星齿轮减速传给出轴方法兰驱动滚筒旋转。摇臂减速箱内具有离合装置，冷却润滑装置，喷雾降尘装置等。摇臂减速箱壳体与一连接架铰接后再与牵引部机壳铰接，通过与连接架铰接的调高油缸实现摇臂的升降。摇臂和滚筒之间采用方榫连接。2.1.2 采煤机牵引部采煤机牵引部由左右牵引部和左右行走箱构成，位于机身的左右两端，是采煤机行走的动力传动机构。传动装置主要是进行能量转换，即将电动机的电能转换为传动主链轮或者驱动轮的机械能，牵引机构是协助采煤机沿采煤工作面行走的装置。左右两个牵引部内各有一台用于采煤机牵引的55KW交流电动机，其动力通过二级直齿轮传动和二级行星齿轮传动减速传至驱动轮，驱动轮驱动齿轨轮，使采煤机沿工作面移动。左右两个牵引部内部传动元、组件完全相同。左右行走想内部传动元、组件完全相同，和互换。2.1.3 采煤机电气部分采煤机电气控制部分是采煤机主要组成部分。该系统包括电动机及其箱体和装有各种电器元件的中间箱。该系统的主要作用是为采煤机提供动力，并对采煤机进行各种保护及控制器动作。该部分在结构上由三个独立的电控箱共同组成，系统采用可编程控制器(PLC),控制两台500KW的截割电机、两台55KW的牵引电机、一台20KW的泵电机的运行状态。牵引驱动系统采用了“一拖一”，即两个变频器分别拖住两个牵引电动机提高了采煤机牵引行走系统的可靠性。2.1.4 采煤机辅助装置辅助装置包括挡煤板、底托架、电缆拖拽装置、供水喷雾冷却装置，以及调高、调斜等装置。该装置的主要作用是同各主要部件一起构成完整的采煤机功能体系，以满足高效、安全采煤的要求，改善采煤机工作性能。（1） 机身联接采煤机机身联接主要由平滑靴及其支撑架、液压拉杠、高强度螺栓、高强度螺母、调高油缸、铰接摇臂的左右连接架以及各部位联接零件构成。（2） 拖缆装置拖缆装置用一组螺栓固定在采煤机中部连接框架和右牵引部的老塘侧。采煤机的主电缆和水管从侧顺槽进入工作面。从工作面端头到工作面终点的这一段电缆和水管固定铺设在输送机电缆槽内，从工作面中点到采煤机之间的电缆和水管则需要随采煤机往返移动。为避免电缆和水管在拖缆过程中受拉受挤，将它装在一条电缆夹板链中。（3） 冷却喷雾系统来自泵站的高压水由软管经拖缆装置进入安装在左牵引部正面的自清洗过滤装置，由自清洗过滤装置经过过滤后的高压水进入安装在左牵引部煤壁侧的水分配阀，有水分配阀分配出六路水，其中两路分别进入左右摇臂进行滚筒内喷雾及左右摇臂的水冷却系统后进入外喷雾。第三路水进入左牵引电机和泵电机冷却，出来后进入流量传感器，从流量传感器出来再进入左截割电机冷却，然后泄出。第四路水进入变压器箱和右牵引电机冷却，出来后进入流量传感器，从流量传感器出来后进入右截割电机中冷却，然后泄出。第五路水进入泵箱冷却，出来后泄出。第六路水进入变频器箱冷却，出来后泄出。2.2 采煤机工作原理采煤机沿刮板输送机的轨道左右行走的同时，由于采煤机的滚筒装有截齿，滚筒旋转截割煤层并将落煤装进刮板输送机。刮板输送机将煤运往工作面以外的运输系统，液压支架组的作用是为采煤机、刮板输送机支撑出一个工作空间。每个液压支架和刮板输送机之间有推进油缸，可以推动刮板输送机和拉液压支架，起到将整个采煤工作面向前推进的目的。为适应煤层厚度的变化，可以通过控制调高油缸的伸缩来改变摇臂摆角以实现滚筒高度的改变。2.3 采煤机电机选型MG500/1130-WD型电牵引采煤机，装机总功率为600KW，截割电机功率为2500KW，牵引功率为255KW，泵电机功率为20KW，整机供电电压为1140V。除牵引电机外，其余电机均为1140V供电。2.3.1 截割电机选型根据设计要求，采煤机截割功率占装机功率的80%90%；采煤机截割滚筒转速为28r/min，截割机构总传动比，故采煤机截割功率：Nj=（0.80.9）N0=0.851130=960.5kW根据计算结果，要按采煤机配备电动机的标准功率进行圆整。故截割电机功率取500kW两台。根据煤矿电工手册选择 YBC-500G型电动机。表2-1 YBC-500G型电动机主要技术参数表Table 2-1 The main technical parameters of YBC-500G motor型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）冷却方式绝缘等级YBC-500G500114013.31470水冷H级2.3.2 牵引电机选型牵引电动机功率：牵引机构总传动比，最大牵引速度，采煤机最大牵引力为。故电动机牵引功率为故根据煤矿电工手册，选择YBQYS-55型电动机。表2-2 YBQYS-55型电动机主要技术参数表Table 2-2 The main technical parameters of YBQYS-55 motor型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）冷却方式绝缘等级YBQYS-55553801051470水冷H级2.3.3 泵电机选型 泵的转速n=1470r/min，水压P=1.5MPa，流量Q=10L/min，效率=0.4.因此，扬程生产机械效率查煤矿电工手册，选用型号为YBCB-20电动机。P=20kw。表2-3 YBCB-20型电动机主要技术参数表Table 2-3 The main technical parameters of YBCB-20 motor型号额定功率（KW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）冷却方式绝缘等级YBCB-202011402451475水冷H级2.4 采煤机控制系统特殊要求由于采煤机是一种特殊的工业设备，采煤机在井下工作环境极其复杂恶劣，电磁干扰、急剧的颤抖、煤尘、爆炸性气体和潮湿对采煤机控制系统的设计提出严格要求。因此，在煤炭开采过程中对采煤机控制提出了一系列特殊要求。(1) 考虑到采煤机在爆炸性气体和粉尘的条件下工作，控制系统务必具备防爆性能，符合煤矿安全要求，可在煤尘和瓦斯爆炸性条件中使用。(2) 随着采煤机装机功率增加，用户对自动化程度要求不断提高，因此控制系统在满足采煤机控制操作和系统保护的基础上，还要考虑为以后新技术的应用提供足够硬件平台。(3) 高度可靠性和较强的容错能力。随着电牵引技术的广泛使用，电气控制系统故障在采煤机总故障中站得比例越来越大。(4) 足够灵活性。由于采煤机使用环境不同，用户经常要定制系统，或在使用过程中对系统提出修改意见。在设计时要注意软件系统配置的灵活性和扩展性。(5) 结构应坚固耐用，在可能的情况下采取高级别的抗机械振动冲击和电磁冲击的措施。综上所述，采煤机控制系统应满足采煤机控制功能的要求，而且还要想到煤矿井下工作面的工作环境的特殊性，针对特殊工作环境和要求开发相应的控制系统和软件系统。3 采煤机电气控制系统总体设计方案3.1 控制系统总体方案设计电气控制系统由控制器、传感器、外部接线和操作机构组成。在控制系统中，根据现场数据采集数量和加工工艺要求，设置多组不同用途和型号的传感器，用于现场数据采集，并将采集到的数据送到控制器(PLC) 中进行分析处理，最终得出分析果，通过输出端口输出控制命令，控制命令对应的模拟量信号经外部线路传递给执行机构执行，完成对加工过程的控制与调节。采煤机的检测与控制系统是为了保证采煤机的正常工作而设计和研制的，该系统应具有对采煤机正常启、停控制和非正常停机操作；历史和实时工作状态数据的采集、记录与显示、系统参数的设置与修改、工作状态、数据超限报警等功能。因此，应当选择合理的控制流程和方法来对采煤机进行控制。图3-1 采煤机控制系统总体方案图Fig.3-1 Overall plan for coal winning machine control system如图3-1所示，整个采煤机检测与控制系统大致可以分为3个层次：第一级为现场数据信息采集系统，第二级为系统的控制核心层，第三级为远程监测与控制层。第一级主要对现场的数据进行采集，第二级是对检测到的各项采煤机参数进行采集、数据处理。第三级主要负责对采煤机各项参数进行远程实时显示，并可实现对采煤机的远程启动停止控制以及数据、故障的实时存储。3.2 监测系统硬件设计本设计需要对采煤机进行检测和保护的项目有电动机温度、冷却水进水压力与流量、易燃易爆气体瓦斯浓度、整机输入电压、牵引传动箱振动等方面进行监测与保护因此，需要选择合适的传感器对以上各项目进行检测和保护。3.2.1 温度传感器的选择与应用温度传感器用于采煤机电机、变压器和油箱等部件的实时工作温度监测，对系统进行热保护。本设计采用SBWZ(R) 系列一体化温度传感器。如图3-2所示。a) 型号：SBWZ(R) 系列一体化温度变送器图3-2 SBWZ(R) 系列一体化温度变送器实物图Fig.3-2 SBWZ (R) series of integrate temperature transmitterb) 工作原理： 变送器电路模块由放大单元、线性化单元、电压/电流转换、自较正电路、电压调整单元和反向保护电路等构成。对以热电偶为测温部件的变送器还包括有冷端补偿器。c) 技术规格：热电偶测量范围：B分度：0350 输出信号：4-20mA(四线) 测量精度：0.2%，0.5% 温度漂移：0.025%/,年漂移小于0.5% 工作电源：1236VDC 工作环境：1) 液体温度：-25+85；2) 环境温度：-30+1203) 相对湿度：595%RH，无冷凝 储存环境：-40+85 负载能力：0600 防爆等级：隔离防爆ExiaCT6 d) SBWR(Z) 系列温度变送器具有以下特点： 1) 工作环境温度宽2) 具有高精度冷端补偿电路，全温度范围绝对偏差0.5(S热电偶0.8) 。3) 先进的非线性较正电路，输出信号与被测温度成线性关系。4) 内带漂移自校系统，在整套工作温度范围内保证测量精度。5) 附有特殊的控热机构，有效的控制热传导作用。6) 采用环氧树脂封装，耐腐蚀，抗震功能好，可靠性高。3.2.2 压力与流量传感器的选择与应用压力传感器用来检测液压系统的工作情况，分为高压、低压压力表，分别显示高压和控制油源的压力。同时采煤机要用压力传感器检测制冷却水压力以及使用流量计监测水流量。（1）流量传感器的选择与应用本设计选用型号为GLC250/500防爆流量计传感器。矿用超声波流量传感器（以下简称流量传感器）是利用低电压多脉冲平衡发射接收专利技术设计原理的一种崭新通用时差型多功能超声波传感器，适用于煤矿井下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的绝大多数清洁均匀液体的流量和热量。防爆流量计使用了国内外优秀半导体厂商推荐的元器件，具有低功耗、高可靠性、抗干扰、适用性好等优点。优化的智能信号自动适应处理，用户无需任何电路调整。先进的电路设计、元件使用、优秀的硬件、软件设计，使流量传感器成为国内当前矿山行业的主要产品。1)GLC250/500防爆流量计技术参数电压：本安DC18V；电流：100mA；输出信号：4-20mA，200-1000Hz，RS485三种；安装方式：外贴式、插入式两种；管径范围：DN50DN500；传感器电缆：15m。图3-3 GLC250/500防爆流量计实物图Figure 3-3 GLC250/500 explosion-proof flow meter physical map2)GLC250/500防爆流量计使用环境条件 环境温度540； 海拔高度不超过2000m； 空气相对湿度不大于95（25时）。（2）压力传感器的选择与应用本设计选用型号为HDP501的压力传感器。如图3-4所示。HDP501压力传感器/变送器运用全不锈钢封焊结构，具备良好的防潮能力及优异的介质兼容性，测量精度高，反应时间短等优点。大规模应用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力检测与控制。a) 型号：HDP501压力传感器/变送器b) 技术参数：量 程:01.5MPa综合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号:420mA(二线制) 供电电压:24DCV(936DCV) 介质温度:-2085150环境温度:常温(-2085) 负载电阻:电流输出型：最大800绝缘电阻:大于2000M(100VDC) 密封等级:IP65 长期稳定性能:0.1%FS/年图3-4 HDP501压力传感器Fig.3-4 HDP501 press.sensor3.2.3 瓦斯传感器的选择与应用 瓦斯传感器是采煤机必备的，用于检测采煤机附近的瓦斯浓度。当检测到瓦斯浓度超过1%时，传感器发出声光报警信号；当检测到瓦斯浓度大于限定值时，采煤机就会断电停机。本设计选用GJ4型甲烷传感器。如图3-5所示。图3-5 GJ4型甲烷传感器实物图Figure 3-5 Type of GJ4 methane sensor in kindGJ4型甲烷传感器是为了满足我国煤矿监测井下沼气的需要而研制，它可以连续自动的将沼气浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并显示沼气浓度值，超限声光报警及断电。适宜在煤矿采掘工作面、机电硐室、回风巷道等地点固定使用。主要技术指标: 1)工作环境条件： 温度：040 相对湿度：98% 大气压力：86116kPa 风速：08m/s 2)测量范围：04.004 基本误差：01.00%CH4时，0.10%CH4 1.002.00%CH4时，0.20% CH4 2.004.00% CH4时，0.30% CH4 3）报警方式：二级间歇式声光报警 声强85dB，光强：能见度20m 4）报警点范围：04%CH4可调 5）催化元件使用寿命：1年 6）工作电压：24V 7）工作电流:85mA 8）防爆型式：矿用本质安全兼隔爆型； 隔爆标志：BxibdI 9）外形尺寸：19011457， 重量：700g3.2.4 电压传感器的选择与应用电压传感器用于测量采煤机整机输入电压和部分用电设备的输入电压，检测输入的三相电压的过、欠电压情形，当输入的三相电压不在整定范围时，保护动作使真空接触器断电。本设计选用HV100-4000系列霍尔电压传感器。如图3-6所示。霍尔电压传感器是一种采用霍尔效应，利用原边电压通过外置或内置电阻，将电流限制在10mA,此电流经过多匝绕组过后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势，该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。事实上霍尔电压传感器采用的是与磁平衡闭环霍尔电流传感器一样的技术，即零磁通霍尔电压传感器。HV100-4000系列霍尔电压传感器技术参数：额定输入电压1004000V测量电压范围2006000A总输入功耗0.2510W额定输入电流 2.5mA额定输出电流500.5%FS mA测量电阻15V Vpn 50(min) 200(max) 2XVpn0(min) 100(max) 24V Vpn100(min) 330(max) 2XVpn100(min) 200(max)电源电压 15-24(10%) V失调电流0.25 mA失调电流漂移 -4085 0.6 mA响应时间 200 S工作温度-40+85 储存温度-40+125 图3-6 HV100-4000系列霍尔电压传感器实物图Figure 3-6 HV100-4000 series Holzer voltage sensor physical map3.2.5 电动机振动传感器的选择与应用采煤机振动传感器主要针对采煤机现实工作中常出现故障的轴承、齿轮箱、摇臂、牵引行走轮等几个位置监测振动参数，可以实现采煤机比较全面的工况监测和故障诊断，增强工作可靠性。电动机的振动检测是设备维修及预防设备故障的大前提。有效地监控电动机的运行情况，防止电动机的过修与失修可以降低检修费用，缩短检修时间，保证生产的安全运行，不时提高电动机的利用率及使用效益率。国家标准电动机的振动标准合格为4.5mm/s。振动传感器的机电变换原理:大体而言，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换方面，出于变换方法和性质不同，其种类层出不穷，应用范围也相当广泛。在目前振动测量中所用的传感器，早就不是传统概念上独立的机械测量装置，它不仅是整个测量系统中的一个环节，而且与后续的电子线路关系密切。考虑到传感器中机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是采用机械量变化变换为电动势、电荷的变化，还有的是采用机械振动量变化变换为电阻、电感等电参量的变化。大体而言，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因而对于不同机电变换原理的传感器，务必附以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最终变为后续显示、分析仪器所能接受的常用电压信号。本设计采用BVM-200B一体化型振动变送器。如图3-7所示。图3-7 BVM-200B一体化型振动变送器实物图Figure 3-7 BVM-200B integrated type of vibrating transducer in kindBVM-200B一体化型振动变送器，广泛应用于在线监测各种大型设备运行时的机械振动及设备状态，例如机壳振动、轴瓦振动、轴系振动等。监测由于转子的不均匀，不对中、机件松动、滚动轴承破坏、齿轮破坏等引起的振动变化。应用于汽轮机、水轮机、风机、压缩机、制氧机、电机、泵、齿轮箱等大型旋转机械。一体化相对于分体式而言，就是将传感器与变送器合二为一。 BVM-200B一体化型振动变送器可输出振动的振动速度有效值，振动速度有效值的测量范围为0200 mm/s，相对应输出420mA的电流信号。尤其适合恶劣环境的长时间状态监测。3.2.6 电动机电压、电流检测系统设计本设计采用EDA9033A 三相电参数采集模块进行三相电参数采集，EDA9033A模块是一智能型三相电参数数据综合采集模块；三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、三相电压（有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度等电参数。其输入为三相电压（0500V）、三相电流（01000A）；输出为RS-485或RS-232接口的数字信号，支持的通讯规约有3种：ASCII码协议、十六进制 LC-01协议、MODBUS-RTU协议，3种协议可同时识别使用，无需配置。 EDA9033A 模块可大规模应用于各种工业控制与测量系统以及各种集散式/分布式电力监控系统。EDA9033A 模块是一款性价比较高的智能化电参数变送器，它能替代以前的电流、电压、功率、 功率因数、电量等一系列变送器及测量这些变送器标准输出信号的输入模块，在很大程度上降低系统成本, 方便现场布线，提高系统的可靠性。其可与其他厂家的控制模块挂在同一RS485总线上，且便于计算机编程，可以轻松构建自己的测控系统。利用电磁隔离和光电隔离技术，电压输入、电流输入及输出三方完全切断。EDA9033A 模块的主要功能及技术指标：输入信号：三相交流50/60Hz电压、电流。输入频率：4575Hz。 电压量程（相电压）：60V500V。 电流量程：1A1000A。 信号处理：16位A/D转换，6通道，每通道均以4KHz速率同步交流采样，真有效值测量。 数据更新：模块实时数据的更新周期可设置（40ms1000ms，每步为10mS）。此功能可通过“E系列产品测试软件”MODBUS-RTU协议中的配置界面进行配置；更新周期默认为250ms。 过载能力：1.4倍量程输入可科学衡量；瞬时(10周波)电流5倍，电压3倍量程不损毁。 输出数据：三相相电压 Ua、Ub、Uc；三相电流 Ia、Ib、Ic；有功功率 P、无功功率 Q、功率因数 PF、各相有功功率Pa、Pb、Pc；正反向有功电度等电参数。2）外置互感器EDA9033A外置互感器的电流量程范围：40A1000A。量程有：40A1000A，也可根据要求订制。互感器的外型有3种：C-26、C-30、C-64。 C-26的内径为26mm，电流范围0300A。 C-30的内径为30mm，电流范围0400A。 C-64的内径为64mm，电流范围01000A。 考虑到本设计电动机主机电压为500V，可知相电压为380V，因此EDA9033A 三相电参数采集模块的电压量程选择500V。我们可根据实际现场的电流导线粗细及电流大小选择合适的互感器及量程。考虑到本设计截割电动机主机电压为3300V，电动机功率为500KW，已知计算公式: （3-1）将已知各项带入式（3-1），得：因此，选用电流范围为0300A的C-26作为外置互感器，量程选择100A，互感器与EDA9033A的电流系数比为100:5,即外置互感器测得电流为100A时，EDA9033A测得电流为5A，因此EDA9033A电流量程选择5A。3.2.7 电动机过载保护考虑到电动机在过载、绕组短路、超压、失压、过流等状况下都会引起通过绕组的电流增加，大于额定电流，而绕组的线径在设计时是根据额定电流设计的，如果实际电流大于额定电流，那么绕组就会产生大量的热，最后由于温度过高而引起绕组及电机烧毁。因此我们需要对采煤机截割电机、牵引电机、泵电机进行过载保护。电动机过载包括截割电机、牵引电机、泵电机过载。电动机的过载的原因有：a）自行调整排气压力，系统调整不当（人为原因）；b）机械故障：电动机内部毁坏。电动机欠相工作；安全阀不工作；系统设定失败；油气分离器隔阂；c）电器故障：电压过低，虚接导致电流过大；d）机头里面有异物卡住机头造成电动机负载过大。风冷机电机的过载原因有：a）风扇变形，风冷机电机热继电器故障（老化），风扇电机故障；b）接线松动；c) 冷却器堵塞；d) 排风阻力大。 热继电器的选择：当今普遍采用热继电器来保护电动机的过载，热继电器是利用进入热元件的电流产生热能，使有不同膨胀系数的双金属片发生变形，当变形值达到额定距离时，就带动连杆工作，使控制电路切断，从而使接触器断电，主电路断开，实现电动机的过载保护。继电器作为电动机的过载保护部件，以其体积小、结构简单、成本低等特点在实际生产中获得了大规模应用：1）理论上应使热继电器的安秒特性在很大程度上接近乃至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载情况下，同时在电动机短时过载和启动的一瞬间，热继电器应不受影响。2）当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，大体按电动机的额定电流来选择。比如，热继电器的整定值可等于0.951.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，而后进行调整。3）当热继电器使用在保护经常瞬时工作制的电动机时，热继电器只有一定范围的适应性。若短时间内操作次数过多，则就要挑选带速饱和电流互感器的热继电器。4）对于正反转和通断次数很多的特殊工作制电动机，不适合选用热继电器作为过载保护装置，反而应使用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。综上所述，并考虑到本设计的环境因素等实际要求，选用T系列热继电器对采煤机主机截割电动机、采煤机牵引电动机以及采煤机调高泵电动机进行过载保护。T系列热继电器适用于交流50或60HZ，电压至660V，电流至500A的电力线路中。一般用作三相感应电动机的过载与断相保护。当热继电器对电动机进行过载保护时，如图3-8所示，将热元件与电动机的定子绕组串联，将热继电器的常闭触头串联在交流接触器的电磁线圈的控制电路中，并适当调节整定电流调节旋钮，使人字形拨杆与推杆相距一适当距离。当电动机正常工作时，通过热元件的电流即为电动机的额定电流，热元件发热，双金属片受热后弯曲，使推杆刚好与人字形拨杆接触，但又不能推动人字形拨杆。常闭触头处于闭锁状态，交流接触器保持吸合，电动机正常运行。如果电动机出现过载情况时，绕组中电流变大，通过热继电器元件中的电流变大使双金属片温度急剧上升，弯曲程度变大，推动人字形拨杆，人字形拨杆推动常闭触头，使触头隔断而切断交流接触器线圈电路，使接触器释放、切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。图3-8 热继电器原理图Fig.3-8 Thermal relay diagram3.3 PLC中央处理模块的选型设计PLC是一种专门应用在工业环境下而设计的数字运算操作的电子装置。它利用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储实现逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的命令，并能透过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关的配套设备都应按照便于与工业控制系统形成一个整体，便于扩展其功能的原则而设计。3.3.1 PLC的CPU模块选择1）PLC的结构 由于微处理器、计算机和数字通信技术的快速发展，计算机控制已经大规模应用在全部工业领域。当今社会要求制造业对市场需求做出快速的反应，生产出批量小、品种多、样式多、成本低和质量高的产品。为了实现这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统务必具备比较高的可靠性和灵活性。可编程序控制器正是为实现这一要求出现的，它是以微处理器为核心的通用工业控制