用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統設計

劉文明

(潞安集團 漳村煤礦，山西 長治 046000)

巖巷掘進技術經歷了炮掘、液壓鉆車與裝巖機組合掘進以及硬巖掘進機(TBM)掘進的過程。炮掘的缺點為工作效率低、勞動強度大、巷道成型效果差、危險系數大。液壓鉆車加裝巖機組合掘進工作效率得到大幅提高，但是操作時工序復雜、設備故障率高且排矸時間過長。硬巖掘進機(TBM)掘進截割能力強，掘進效率高，與膠帶裝載機和膠帶運輸機配套使用實現了連續截割、連續裝矸，極大地提高了巖巷掘進速度。硬巖掘進機系統設計中，電氣系統是其中最為關鍵的一部分。

1 泛電氣系統設計

用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統設計不僅包括傳統電氣系統設計方案，還融合了計算機技術以及無線通信技術方案，見圖1. 在該泛電氣系統方案設計中，包含的單元模塊有PLC控制單元、保護單元、驅動單元、數據采集單元、數據傳輸單元、遙控單元以及人機界面單元。其中，人機界面單元融合計算機技術，將硬巖掘進機運行過程中的系統參數、傳感器數據、故障信息等進行顯示，方便操作人員及時了解和掌握設備運行情況，也方便技術人員進行故障排除。數據傳輸單元融合了網絡有線/無線通信技術，其實質包含CanOpen轉WIFI通信模塊，即接收PLC控制單元的普通數據和視頻信息，并將其轉換為無線信號，供硬巖掘進機的遠程操作平臺顯示，方便遠程操作，或上傳至礦井工業環網。

圖1 硬巖掘進機泛電氣系統設計圖

1.1 PLC控制單元設計

PLC控制單元是硬巖掘進機泛電氣系統的核心，該單元模塊是其他6個單元模塊的控制核心。PLC控制單元采集單元信息，如傳感器模擬量信息、按鈕數字量信息后，進行邏輯判斷，控制驅動單元動作。同時根據采集到的數據信息，判斷該系統、電機是否需要保護。該控制單元與人機界面以CanOpen通信方式實現數據傳輸，與遙控單元以CanOpen通信方式實現硬巖掘進機的遙控操作[1-2]. PLC控制單元以Can通信方式將數據與數據信息傳送給數據傳輸單元，并通過CAN轉WIFI模塊將數據以WIFI無線傳輸模式發送出去[3].

該硬巖掘進機泛電氣系統PLC程序流程框圖見圖2. 由圖2可以看出，PLC控制器為系統核心，系統將獲取的數字輸入信號、模擬輸入信號、視頻信息數據以及遙控數據都傳送給PLC控制器，由其作出邏輯判斷，并控制電機、電磁閥動作，同時將有用數據傳送給人機界面和礦井工業環網。

圖2 PLC軟件控制流程圖

1.2 保護單元設計

保護單元設計中有過載保護、短路保護、負序過流保護、單相接地保護、欠壓和過電壓等電氣系統保護形式。另外還有油液保護、壓力保護以及流量保護等液壓系統保護形式。其設計宗旨即在該泛電氣系統出現異常時，能夠采用對應、準確的保護措施，避免系統、電機受到損壞。

1.3 驅動單元

驅動單元是硬巖掘進機的執行機構，PLC控制器進行邏輯判斷后，控制驅動單元動作，如控制電液比例閥動作、控制電磁換向閥動作、控制油泵電機、截割電機、除塵電機等設備的啟停、加減速等。

1.4 數據采集單元設計

數據采集單元是獲取該泛電氣系統中的各電機系統參數信息(電壓、電流、溫度)、油溫、油位、壓力、傾角、位移等傳感器數據信息，作為PLC控制單元進行邏輯控制的參考。模擬量傳感器信號可以是0～10 V的電壓信號，也可以是4～20 mA的電流信號，在PLC控制器中需要做模數轉換。同時還包括對硬巖掘進機左前方、右前方、左后方、右后方視頻圖像的采集，保證硬巖掘進機司機對該設備的運行狀態有更全面的掌握。

1.5 數據傳輸單元設計

數據傳輸單元與PLC控制單元之間以CAN通信方式實現數據的傳輸。在數據傳輸單元中有CAN轉WIFI模塊，以WIFI無線網絡承載硬巖掘進機電氣系統信息，并發送至礦井工業環網，以被監測。

1.6 遙控單元

設計的硬巖掘進機有遙控操作模式，其功能在遙控單元中完成。在遙控單元中的遙控接收器接收遙控發生器的控制指令，并將其轉發給PLC控制器，進而由PLC控制器控制驅動單元按照控制指令動作。涉及到的遙控接收器和遙控發送器之間以ZigBee無線通信模式完成控制指令以及普通數據的傳輸。

1.7 人機界面單元設計

人機界面單元是硬巖掘進機泛電氣系統的監測和檢測平臺，PLC控制單元將其所有系統參數信息、傳感器數據信息、輸入/輸出數字量信息、遙控信息、保護信息以及故障信息等數據以CanOpen通信方式傳遞給人機界面，便于工作人員和技術人員實時掌握該硬巖掘進機的運行狀態，一旦發生故障，能夠根據人機界面信息對故障進行及時、準確的排除。

2 工業性試驗

設計并實現的用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統于2018年08月—2019年01月進行了為期6個月的工業性試驗，具體試驗情況見表1.

由表1可知，該開拓巷道的巷道斷面為7.8 m2，硬巖掘進機最小每日均進尺為1.6 m，最大每日均進尺為2.6 m，經統計，2018年08月—2019年01月的平均日進尺為2.17 m. 該巷道開拓采用炮掘工藝時，平均月進尺為40 m，平均日進尺為1.3 m. 由此可以看出，在開拓巷道中采用硬巖掘進機在降低工人勞動強度的同時，掘進速度快，提高了開拓巷道的效率。另外，采用硬巖掘進機開拓巷道，其截割頭對硬巖圍巖的破壞小，減少了圍巖松動圈的范圍，提高了圍巖的穩定性。

表1 掘進進尺數據表

3 結 論

設計用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統，以PLC控制技術為核心，以傳感器技術為基礎，融合計算機技術、網絡通信技術以及視頻采集技術為一體，將硬巖掘進機全面、立體、多角度的呈現與掘進機司機，使其能夠更好、更高效的工作。