煤礦短壁開采用轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉晉宇

(同煤集團(tuán) 白洞煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037029)

0 引言

在自動化生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)載破碎機(jī)位于掘錨機(jī)/掘進(jìn)機(jī)后方，主要作用是將采掘的大塊煤礦進(jìn)行破碎，并轉(zhuǎn)運(yùn)至帶式輸送機(jī)。轉(zhuǎn)載破碎機(jī)隨著掘錨機(jī)/掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)而前進(jìn)，緊跟掘錨機(jī)/掘進(jìn)機(jī)工作。在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的工作狀態(tài)穩(wěn)定性較差，如:煤塊較大時(shí)，可能會使轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的刮板發(fā)生堵轉(zhuǎn)，形成堆煤現(xiàn)象;與帶式輸送機(jī)配合不協(xié)調(diào)時(shí)，會出現(xiàn)漏煤現(xiàn)象。轉(zhuǎn)載破碎機(jī)在與掘錨機(jī)/掘進(jìn)機(jī)配合前進(jìn)時(shí)，容易出現(xiàn)過快或過慢的情況:速度過快時(shí)，轉(zhuǎn)載破碎機(jī)與掘錨機(jī)/掘進(jìn)機(jī)會形成碰撞，損傷機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu);過慢時(shí)，掘錨機(jī)/掘進(jìn)機(jī)采掘的煤礦無法轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的料斗內(nèi)，降低生產(chǎn)效率[1-2]。通過分析研究，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的電氣系統(tǒng)，解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問題，取得了較好的效果。

1 總體設(shè)計(jì)方案

轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。該電氣系統(tǒng)由3部分組成:轉(zhuǎn)載破碎機(jī)主電控箱、外圍電氣元器件、監(jiān)控平臺。轉(zhuǎn)載破碎機(jī)主電控箱是電氣系統(tǒng)的控制核心，其作用是將外部電源交流1 140 V電源經(jīng)主電控箱的進(jìn)線裝置引入，經(jīng)隔離開關(guān)、熔斷器保護(hù)后，由變壓器轉(zhuǎn)換出AC 220 V、AC 127 V等不同等級的電源供弱電部分使用。經(jīng)熔斷器后，電流經(jīng)過傳感器檢測后接入泵站電動機(jī)、破碎電動機(jī)，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動。弱電部分包括PLC控制器以擴(kuò)展模塊，還包括模擬量隔離柵、語音報(bào)警隔離刪、漏電保護(hù)裝置、模擬量放大器、繼電器、急停按鈕、啟動按鈕等。電氣系統(tǒng)的外圍電氣元器件主要包括變頻器、電動機(jī)、遙控接收器、遙控發(fā)射器、熒光燈、照明燈、傳感器、瓦斯斷電儀等。其中最為主要的是變頻器，PLC控制器與變頻器之間采用CAN通信的方式實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)傳輸。遙控裝置中的遙控接收器和遙控發(fā)射器之間采用Modbus通信實(shí)現(xiàn)控制[3-5]。電氣系統(tǒng)的監(jiān)控平臺是轉(zhuǎn)載破碎機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)工況的顯示平臺，也是故障監(jiān)測平臺。監(jiān)控平臺與主電控箱之間通過CAN通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

圖1 轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電控箱內(nèi)部電氣設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)硬件主電控箱內(nèi)部電氣設(shè)計(jì)分為強(qiáng)電部分和弱點(diǎn)部分。強(qiáng)電部分的電氣原理如圖2所示，1 140 V的三相交流電通過主電控箱的進(jìn)線裝置引入主電控箱，經(jīng)隔離開關(guān)、熔斷器后，分別經(jīng)電流互感器接入泵站電動機(jī)和破碎電動機(jī)。三相交流電經(jīng)熔斷器后，接入變壓器，輸出交流220 V、交流127 V以及直流24 V 3種電源供主電控箱內(nèi)部使用。

圖2 主電控箱內(nèi)部強(qiáng)電部分電氣原理

主電控箱內(nèi)部設(shè)計(jì)的弱電部分電氣原理如圖3所示。PLC主控制器及其擴(kuò)展模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，數(shù)字量輸入信號包括：泵站電動機(jī)的起停、破碎電動機(jī)的起停、電控箱急停、左側(cè)急停、右側(cè)急停、遙控急停、漏電閉鎖、泵站電動機(jī)過熱、破碎電動機(jī)過熱、AC127 V漏電、DC24 V漏電、泵站電動機(jī)自保、破碎電動機(jī)自保、瓦斯斷電、單機(jī)、聯(lián)動，通過數(shù)字量輸入模塊1～3接入PLC控制器。數(shù)字量輸出信號包括：泵站啟動報(bào)警、破碎啟動報(bào)警、破碎行走報(bào)警、破碎馬達(dá)報(bào)警、泵站電動機(jī)起動、破碎電動機(jī)起動、泵站回路漏檢、破碎回路漏檢、熒光燈、前照明燈、后照明燈、履帶行走、掘進(jìn)機(jī)閉鎖及運(yùn)輸機(jī)功能，通過數(shù)字量輸出模塊1～3引出，并經(jīng)一對一的繼電器輸出到各電氣元件以及電磁閥。模擬量輸入信號主要包括油溫、油位、壓力、傾角信號，原始信號經(jīng)由隔離柵后輸入到PLC控制器的對應(yīng)模擬信號輸入端。另外，系統(tǒng)的模擬信號還包括泵站電動機(jī)和破碎電動機(jī)的電流傳感器信號，一共2組，6個(gè)模擬量信號。模擬量輸出信號包括左履帶行走、右履帶行走2個(gè)，經(jīng)由模擬量放大器后接入電磁閥，控制轉(zhuǎn)載破碎機(jī)行走。在行走過程中，引入變頻調(diào)速裝置，靈活控制轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的行走速度。在弱電系統(tǒng)中，PLC控制器與變頻器之間、PLC與HMI人機(jī)界面之間場采用CAN通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。該弱電系統(tǒng)還包括：電源轉(zhuǎn)換模塊，如AC220V轉(zhuǎn)DC24V、AC220V轉(zhuǎn)DC12V；漏電保護(hù)裝置，對泵站電動機(jī)和破碎電動機(jī)進(jìn)行漏檢；電控箱急停按鈕、泵電動機(jī)起動按鈕、破碎電動機(jī)起停按鈕以及單機(jī)、聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)。

2.2 主電控箱外圍電氣設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)硬件主電控箱外圍電氣設(shè)計(jì)如圖4所示。泵站電動機(jī)用于給轉(zhuǎn)載破碎機(jī)中的液壓系統(tǒng)提供動力源，破碎電動機(jī)用于給轉(zhuǎn)載破碎機(jī)中的刮板鏈條提供動力源。從主電控箱的進(jìn)線裝置中引出控制轉(zhuǎn)載破碎機(jī)動作的信號線，經(jīng)礦用隔爆型低壓接線盒分流后，接入運(yùn)輸機(jī)電動機(jī)。信號線用于控制轉(zhuǎn)載破碎機(jī)各個(gè)動作的電磁閥。照明設(shè)備包括：礦用隔爆型支架熒光燈，用于部分區(qū)域照明；礦用隔爆型照明信號燈，前照明信號燈用于前方照明，后照明信號燈用于后方照明。外圍按鈕包括：礦用隔爆型急停按鈕，分為左急停和右急停，用于非正常狀態(tài)下的快速停機(jī)；礦用隔爆型控制按鈕，用于起動、停止泵站電動機(jī)和破碎電動機(jī)。由于該轉(zhuǎn)載破碎機(jī)具有遙控控制模式，故采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型遙控接收器和接收機(jī)用于遙控控制。傳感器包括：礦用本質(zhì)安全型插入式溫度傳感器，用于測量液壓油的溫度；礦用本質(zhì)安全型液位傳感器，用于測；量液壓油的液位；礦用本質(zhì)安全型壓力傳感器，用于測量水壓壓力。接線時(shí)需要增加本質(zhì)安全型電路接線盒。轉(zhuǎn)載破碎機(jī)采用履帶式行走，外圍電氣設(shè)計(jì)中配置有左履帶電磁閥和右履帶電磁閥。另外，系統(tǒng)還包括礦用本質(zhì)安全型無線攝像儀，用于監(jiān)控破碎機(jī)前方的工況；礦用本質(zhì)安全型組合擴(kuò)音電話，用于破碎機(jī)啟動時(shí)發(fā)出語音報(bào)警；礦用車載式瓦斯斷電儀，用于監(jiān)測煤巷的瓦斯?jié)舛取?/p>

圖3 主電控箱內(nèi)部弱電部分電氣原理

圖4 主電控箱外圍電氣設(shè)計(jì)架構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)的軟件由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，軟件系統(tǒng)流程如圖5所示。初始化程序完成對程序中用到的變量進(jìn)行初始化。與遙控接收機(jī)通信完成PLC控制器與遙控接收機(jī)之間的Modbus通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)遙控控制轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的目的。泵電動機(jī)/破碎電動機(jī)保護(hù)完成對泵電動機(jī)和破碎電動機(jī)的保護(hù)，包括對過載、過流、過熱、缺相、斷相、兩相粘連以及傳感器故障等異常狀態(tài)的檢測。泵電動機(jī)起動過程完成對泵站電動機(jī)的起動，程序需要判斷泵站電動機(jī)的起動條件，只有在起動條件滿足的情況下，才能起動泵站電動機(jī)。破碎電動機(jī)起動過程完成對破碎電動機(jī)的起動，程序需要判斷破碎電動機(jī)的起動條件，只有在起動條件滿足的情況下，才能起動破碎電動機(jī)。模擬量處理子過程完成對系統(tǒng)中模擬量的處理，即對油溫傳感器、油位傳感器、壓力傳感器模擬量的獲取，數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。遙控器處理子過程完成對轉(zhuǎn)載破碎機(jī)遙控操作，動作包括急停、行走、運(yùn)輸機(jī)動作、料斗動作、機(jī)尾動作等。與變頻器通信過程完成PLC控制器與變頻器的CAN通信，進(jìn)而對破碎電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。顯示屏處理子過程完成轉(zhuǎn)載破碎機(jī)電氣系統(tǒng)監(jiān)控平臺的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)時(shí)間處理過程完成對轉(zhuǎn)載破碎機(jī)運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)操作。

圖5 軟件系統(tǒng)流程

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)載破碎機(jī)是煤礦短壁開采中重要的機(jī)械設(shè)備之一，設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)解決了堵轉(zhuǎn)、堆煤、漏煤、與帶式輸送機(jī)配合不協(xié)調(diào)、與掘進(jìn)機(jī)配合不協(xié)調(diào)等工作狀態(tài)穩(wěn)定性差等問題，提高了轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的開機(jī)率。在實(shí)際的應(yīng)用中，該轉(zhuǎn)載破碎機(jī)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，滿足了生產(chǎn)要求。