传统电气系统多由继电器系统构成，其接线复杂，故障诊断与排除困难，触点易老化，响应速度慢，在现代控制中已逐步被PLC(可编程控制器)所替代。PLC可靠性高、编程方便、易于扩展和维护、环境要求低、体积小、安装方便[4-8]，在环式天井掘进机的控制方案中可以取得较好的效果。
1环式天井掘进机及其电气控制要求
环式天井掘进机主要由电气系统、液压系统、冷却系统、钻头液压马达、行走机构及排渣机构等组成，其外观如图1所示。工作时，首先是启动蜂鸣器进行示警，提示人员离开现场。然后，启动冷却泵电动机对液压泵电动机和钻头液压马达进行冷却。冷却泵运行稳定后，再启动液压泵电动机，当其运行稳定后再启动钻头液压马达。最后启动履带前行液压马达。通过检测履带液压马达压力控制履带行进速度，进而控制钻机的掘进速度。停机时，先停止履带液压马达，然后关闭钻头液压马达，再关闭液压泵电动机，最后关闭冷却泵电动机。由环式天井掘进机工作过程可知，电气系统的主要职责是控制钻头液压马达换向阀、履带行进液压马达换向阀、冷却泵电动机、液压泵电动机、岩心提升电动机的运转以及报警等功能。(1)3台电动机均为三相鼠笼式异步电动机，采用1140V高压供电，且岩心提升电动机、液压泵电动机和冷却泵电动机都采用直接起动。2台HC5300系列换向阀采用220V电压供电。(2)电气设备起动顺序为：冷却泵电动机→液压泵电动机→钻头液压马达换向阀→履带行进电动机。通过检测履带液压马达油压控制履带行进速度，检测履带行进距离达3m时，停止行进，切割岩芯，然后运行提升机，将岩芯拖出后停止运行提升机，履带继续前行完成掘进开挖。停机的顺序为：履带行进电动机→钻头供油电动机→液压泵电动机→冷却泵电动机。(3)蜂鸣器采用点动式控制，可以随时按动触发报警。(4)3台电动机均短路和过载保护装置。液压泵电动机和冷却泵电动机中任何1台过载，则主钻设备不工作。其它设备过载或不能工作时，则相应的故障指示灯提示故障信息。(5)钻头液压马达具有过载警示功能。当液压马达温度达到上限温度的95％时，进行闪光报警；当达到上限温度的98％时，进行声光报警；当超过上限温度时，停止运行；(6)具有紧急停止按钮，防止启动和运行时发生意外；(7)具有工作状态的相应指示灯。
2环式钻机的总电路
该机主电路如图2所示。控制对象为3台电动机、2个换向阀以及1个蜂鸣器。KM0～KM9为接触器。KM0为紧急停止接触器，KM1控制提升机下降，KM2控制提升机提升，KM3、KM4、KM5、KM10分别控制液压泵电动机、冷却泵电动机及外推电磁阀的运行和蜂鸣器的鸣叫，KM6、KM7控制钻头液压马达换向阀，使钻头正转和反转，KM8和KM9控制履带液压马达换向阀，使履带行进和后退，KM11和KM12控制切割器的切割岩芯和回退刀具。FR1～RF7均为采用热敏电阻作为测量元件的热继电器，可以准确地测出钻头电动机的温度。FR2的设定值为提升机温度上限的98％，当达到该温度时，进行声光报警。FR6的设定值取为钻头液压马达上限温度的95％，当达到此温度时进行闪光报警；FR7的设定值取为钻头液压马达上限温度的98％，当达到此温度时进行声光报警；FR5的设定值为钻头液压马达的上限温度，当达到此温度时，切断钻头电磁阀的电源，使钻头停止工作。FR3和FR4分别设定为液压泵电动机和冷却泵电动机工作的温度上限，当达到对应的温度时，自动切断相应设备的电源，停止工作。由于3台电动机都采用1140V的高压供电，故必须使用变压器，以便向蜂鸣器和其他用电设备进行低压供电。
3PLC控制电路
3.1硬件电路
为了实现电气控制的需求，控制方案采用SIEMENSS7-200系列CPU226PLC。它具有24个输入点和16个输出点，再加上扩展模块EM223(8个输入点和8个输出点)，即可实现顺序控制。具体I/O分配如图3所示。SB0为系统电源启停开关，SB1为自动运行控制开关，SB2为电铃控制开关，SB3为冷却泵电动机的控制按钮，SB4为液压泵电动机启停按钮，SB5为升降机下降按钮，SB6为升降机提升按钮，SB7为外推电磁阀控制按钮，SB8、SB9分别为钻头电磁阀的正转和反转控制按钮，SB10、SB11分别为履带电磁阀的行进和后退控制按钮，SB12、SB13分别为切割器的切割与回退控制按钮。HL0为供电指示灯，HL5为报警灯，HL4为冷却泵工作指示灯，HL3为液压泵电动机工作指示灯，HL1、HL2分别为升降机下降、提升指示灯，HL6、HL7分别为钻头正、反转工作指示灯，HL8、HL9分别为履带行进和后退指示灯。HL10为外推电磁阀工作指示灯，HL11、HL12分别为切割器的切割和回退指示灯。HLA为钻头液压马达报警灯，HLB为提升机电动机报警灯。
3.2主电路构成
主电路主要由紧急停止电路、启保停电路、优先启动控制电路、切割电路、提升电路、声光报警电路及蜂鸣器电路等组成。(1)紧急停止电路网络中各个输出网络均有紧急启停开关，在按下紧急停止按钮SB0以及液压泵电动机和冷却泵电动机过载(FR2或FR3断开)时动作，实现切断所有电动机的电源。(2)启保停电路回路2、3、4、7均为启保停电路，实现电铃、冷却泵电动机、液压泵电动机及履带外推电磁阀的启动、保持及停止控制。(3)模式切换电路5、6、9、10、11、12回路实现各动作系统两种工作模式的切换，如提升机的升降、钻头的正反转、履带的进退及切割器的进退刀动作。(4)优先启动控制电路1、2、3、4回路实现鸣铃—冷却泵电动机—液压泵电动机的顺序启动，同时实现前级电动机停，后级电动机也都停的要求。电铃例外，电铃是通过内部继电器线圈来实现对后级电路的控制。这样，可以实现第一次启动掘进机时，必须按启电铃，但所有电动机启动后，随时按启电铃，并不对后级电路产生影响，这样可实现在任何情况下通过鸣铃进行报警或提示等作用。(5)自动运行电路各执行机构存在先后启停的顺序，在开启电源以后，按下自动运行按钮，系统会按照设计的延时和各信号输入顺序完成钻掘、爬行、切割、提岩等一系列动作，实现自动运行。(6)切割电路回路13、14为岩芯切割控制电路，当检测到岩芯长度上限信号或手动切割信号时，切割器电磁阀控制进刀切割，当UR2检测到岩芯断裂，即将刀具回退，等待下一次切割命令。(7)提升电路回路5、6为岩芯提升控制电路，当检测到岩芯断裂或手动给予提升机下降信号时，提升机下降；当UR3检测到提升机套牢岩芯信号或手动给予提升信号时，提升机即将岩芯提升出井，完成提岩，等待下一个提升命令。(8)声光报警电路在钻头液压马达启动后，当温度达到上限温度的95％时，FR6继电器动作，报警灯HLA发出0.5s的间隔闪烁；当温度达到上限温度的98％时，FR7继电器动作，警铃发出声音报警。当温度达到上限温度时，FR5继电器动作，切断钻头电磁阀的电源，使钻头液压马达停止运行。在提升机电动机启动后，当温度达到上限温度的98％时，FR2继电器动作，报警灯HLB发出0.5s的间隔闪烁，同时警铃发出声音报警。当温度达到上限温度时，FR1继电器动作，切断提升机电动机的电源，同时电动机制动装置制动，电动机停止工作。
4结语
由于PLC灵活性强、可靠性高、扩展简单、维护维修方便且节省时间，用于环式天井掘进机的电气控制系统可节省成本，提高后期的经济效益。
作者：殷忠玲 孙荣军 刘浪 单位：陕西工业职业技术学院 西安科技大学
