掘進機結(jié)構(gòu)的分析及電控系統(tǒng)的設計

王 鵬

（同煤集團四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

目前，掘進機是在煤礦中使用最廣泛的用來完成采掘作業(yè)的技術(shù)設備，可以進行破煤、掘進、物料回收、運輸和除塵等相關的井下掘進開采工作。根據(jù)工作方式的不同可以將掘進機分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機，它們有著掘進速度快、機械化程度高和安全性好的優(yōu)點[1-2]。但是由于井下條件復雜，導致掘進機在工作面進行作業(yè)時常有故障發(fā)生。此外，一些元件的基礎質(zhì)量和電控系統(tǒng)也不太完善。為了提高掘進機工作時的穩(wěn)定性，提高工作效率和安全性。以懸臂式掘進機為例，分析其結(jié)構(gòu)，然后對電控系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

1 掘進機結(jié)構(gòu)分析

以懸臂式掘進機（型號EBZ260）為例進行掘進機結(jié)構(gòu)研究。懸臂式掘進機是目前采煤工作面使用最為廣泛的掘進系統(tǒng)，它由本體機構(gòu)、行動機構(gòu)、切割機構(gòu)、裝運機構(gòu)、支撐機構(gòu)和電控系統(tǒng)組成[3]，適用于各種地質(zhì)條件下的巷道掘進工作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該型號掘進機工作時的截割面可以達到31 m3，可以滿足的最大巷道的寬度為6.3 m，最大的巷道高度可達5.2 m。此外，它可以對截割硬度為110 MPa 的巖層進行切割，可以滿足最大的單向抗壓強度為90 MPa 的巖層。其各個結(jié)構(gòu)的組成和主要功能如下：

1）本體機構(gòu)。主要用來承載掘進機來自切割部、行走部和運行部的荷載，也是整個掘進機的框架，由機架臺和回轉(zhuǎn)臺組成。

2）行動機構(gòu)。完成掘進機的移動，懸臂式掘進機一般選用履帶式行動機構(gòu)，由兩條分別驅(qū)動的履帶組成。

圖1 EBZ260 型號掘進機結(jié)構(gòu)圖

3）切割結(jié)構(gòu)。懸臂式掘進機的切割部分包括懸臂、切割刀具、驅(qū)動電機、運動減速箱和結(jié)構(gòu)安裝防護支架組成。它的工作原理是驅(qū)動電機將動力傳送至截割頭的減速運動箱，減速運動箱通過截割臂將動力傳至切割刀具進行掘進作業(yè)。該系統(tǒng)中還有液壓部分來配合減速運動箱控制切割刀具的移動。

4）裝運機構(gòu)。將掘進開采后的煤炭或物料運向運輸機，完成運輸任務，主要由鏟板、驅(qū)動裝置和測鏟板組成。在裝運機構(gòu)的驅(qū)動裝置一般選擇速率低但是扭矩大的液壓馬達。

5）支撐機構(gòu)。主要用來固定工作時的掘進機，起到穩(wěn)固機器、減少巖層反作用力的作用，由重力支架組成。

6）電控系統(tǒng)。是掘進機中負責控制所有電氣系統(tǒng)的設備。負責收集掘進機數(shù)據(jù)和井下地質(zhì)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些反饋結(jié)合實際情況，來完成掘進開采作業(yè)。

2 掘進機電控系統(tǒng)硬件的設計

懸臂式掘進機的工作環(huán)境復雜，在工作面上往往空氣濕度大，并且混雜著各種煤塵和雜質(zhì)，例如SO2、N0、NO2等腐蝕性氣體也比較多。此外，在采掘機運行時的劇烈振動會對裝置產(chǎn)生損傷。所以在選用硬件時要滿足抗震、耐腐蝕和低故障率的裝置。

2.1 控制器的設計

為了滿足井下工作條件，要求電控系統(tǒng)的控制器要穩(wěn)定、防護等級高，可以適應振動大、濕度強的井下環(huán)境，一般的PLC 不適用于上述要求。為了滿足上述條件，選用Inter Control 公司的DCF-1 控制器作為處理核心[4]。該控制器的通訊接口（輸入端和輸出端）比較多、存儲空間也比較大。懸臂式掘進機組成機構(gòu)比較多，工作環(huán)境復雜，需要控制的變量和電氣設備（包括電機和傳感器）也很多，DCF-1 控制器豐富的通訊接口可以滿足懸臂式掘進機的電氣控制要求。

2.2 硬件的設計

2.2.1 電源的設計

電氣機構(gòu)的電源部分由控制變壓器、高壓熔斷器、空氣斷路器、本安直流電源和非本安直流電源組成[5]。控制變壓器選擇額定容量為1.9 kVA 的變壓器，要求電壓的波動范圍位于-20%～+15%。在電源系統(tǒng)中，本安電源為110 V，為控制器和其他電氣設備供電的電源為24 V，5 V 為總線在隔離模塊中的電壓值。

2.2.2 保護單元的設計

保護單元由低壓/高壓漏電監(jiān)測模塊、電壓變送器、電流變送器、耦合器和各種傳感器組成。使用Pt100 溫度傳感器來反饋工作溫度，然后通過CANopen 總線把收集到的信息傳往控制器。監(jiān)測漏電模塊和耦合器則分布在各個結(jié)構(gòu)的絕緣部，在電源啟動和各個系統(tǒng)開始工作前進行漏電監(jiān)測。此外，位于郵箱的液油傳感器將監(jiān)測油溫和液位，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往控制器來判定是否繼續(xù)保護。

2.2.3 控制單元的設計

控制單元主要由Inter Control 公司的DCF-1 控制器組成，結(jié)合上述的電源器件和保護的單元，控制器負責信息的采集、處理和系統(tǒng)控制。控制單元的硬件設置主要由各個控制點、各個系統(tǒng)保護點、中間繼電器和各個元件的輸入和輸出接點組成。控制器選擇DCF-1，中間繼電器選擇CAN 光隔離中間繼電器。這樣不僅可以實現(xiàn)對CAN 信號的隔離操作，還可以放大系統(tǒng)中的信號，抗干擾能力強。

2.3 硬件系統(tǒng)的布置和安裝

結(jié)合上述硬件設計，選用礦用防爆電控箱來對電控系統(tǒng)繼續(xù)安裝，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。在電控箱的上側(cè)為接線腔，設有接線端子。下側(cè)為主腔，主腔底部安裝保護單元、變壓器和繼電器。在主腔上部安裝耦合器和傳感器，左側(cè)安裝控制器。

3 掘進機電控系統(tǒng)軟件設計

圖2 電控箱結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述功能和硬件介紹，首先根據(jù)如圖3 的主程序流程圖完成主程序軟件設計。它的主要作用是在各個元件和子程序開始啟動后，通過等待和命令控制，完成對各個子程序的調(diào)用。

在完成主程序的軟件設計后，繼續(xù)初始化子程序的設計，它主要是通過控制器對CANOpen 的設備進行管理，同時對傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)進行分析處理，它的系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 初始化子程序流程圖

系統(tǒng)狀態(tài)的子程序是對控制器進行I/O 初始化，然后將內(nèi)部控制和外部I/O 完成映射起到對系統(tǒng)各個工作部分的監(jiān)測工作。包括漏電監(jiān)測輸入計算、系統(tǒng)進出電壓的監(jiān)測和其他傳感器的監(jiān)測處理等。

電機狀態(tài)管理子程序是對電機工作狀態(tài)進行分析處理，是針對掘進機電機的溫度、電流進行的采集映射和處理。此外，也對電機油箱和工作時間進行監(jiān)測統(tǒng)計。

運行狀態(tài)子程序是掘進機運行邏輯核心，收集所處工作環(huán)境和目前的運行狀態(tài)，直白地顯示在操作臺上，根據(jù)功能要求和相關的工作經(jīng)驗，提出操作意見和狀態(tài)分析結(jié)果。

4 結(jié)語

根據(jù)掘進機在井下工作時的環(huán)境要求和電氣設備要求，以懸臂式掘進機為例，提出了具有抗干擾能力強、耐腐蝕、效能好的掘進機結(jié)構(gòu)設計，其核心是Inter Control 公司的DCF-1 控制器。此外，還包括了電源、保護單元和控制單元的設計。然后根據(jù)工作要求和硬件設施，針對掘進機電控系統(tǒng)的工作狀況，提出了掘進機電控系統(tǒng)的軟件設計，設計后的軟件可以完成設計要求，包括對掘進機的各個工作子程序、電控系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測和管理。