掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

白桂平

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

巷道掘進(jìn)機(jī)作為礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備，需面對礦山生產(chǎn)的惡劣環(huán)境，所以掘進(jìn)機(jī)極易出現(xiàn)截割斷面質(zhì)量較差、工作效率低等缺點(diǎn)[1-2]。為了提升掘進(jìn)機(jī)的工作效率，眾多學(xué)者對此進(jìn)行過一定的研究。劉堯青[3]以懸臂式掘進(jìn)機(jī)EBZ200 為研究對象，通過對掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的邏輯、硬件選型及軟件部分進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)，通過分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)各傳感器對關(guān)鍵參數(shù)的分析采集做出了正確的判別，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。滕麗麗[4]分析了基于PLC 的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)工作流程及系統(tǒng)控制方案，重點(diǎn)對系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、主電路設(shè)計(jì)及控制回路等進(jìn)行了分析，有效提升了掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械化水平，保證了掘進(jìn)機(jī)的可靠性與穩(wěn)定性。本文通過分析原有掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)，為提升掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率提供參考。

1 電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1）掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)總線通訊設(shè)備需進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)映射，使控制器的檢測數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的控制。

2）電控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)檢測及故障管理，主要功能可以表示為：控制器IO 初始化，將內(nèi)外控制信號實(shí)時聯(lián)系起來，便于后期控制器的有效運(yùn)行；故障警鈴和語音報警器實(shí)時響應(yīng)，當(dāng)各個電機(jī)在進(jìn)行啟動或由于人工操作造成預(yù)警時，系統(tǒng)的警鈴和系統(tǒng)語音報警器開始報警，達(dá)到對工作人員的預(yù)警；電控系統(tǒng)需要及時對掘進(jìn)機(jī)的輸入電壓進(jìn)行監(jiān)測管理，掘進(jìn)機(jī)輸入電壓過低或者過高都會出現(xiàn)一定的故障預(yù)警；油溫油位檢測：對掘進(jìn)機(jī)油箱的油溫及油位進(jìn)行檢測，當(dāng)過低或者過高時進(jìn)行報警。

3）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障后，電控系統(tǒng)可以快速作出相應(yīng)的處理，如當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)低壓漏電時，電控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)提示故障報警，同時系統(tǒng)進(jìn)入對應(yīng)的故障狀態(tài)，立即切斷系統(tǒng)低壓設(shè)備照明燈及警鈴的輸出，并給出故障位置及詳細(xì)的故障處理方法，當(dāng)故障完成處理后，系統(tǒng)立刻進(jìn)行復(fù)位，及時對故障進(jìn)行清理。

4）能夠?qū)﹄娍叵到y(tǒng)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行管理。

5）對系統(tǒng)的操作信號及運(yùn)行狀態(tài)管理。

掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行正常生產(chǎn)時，由于礦山環(huán)境較為惡劣且地面較不平整，所以掘進(jìn)機(jī)在工作過程中極易發(fā)生劇烈震動，使得掘進(jìn)機(jī)必須具備抗震動、抗爆及低事故率的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的PLC 無法滿足這么多要求，所以在進(jìn)行電控系統(tǒng)設(shè)定時需要使用專用控制器，本文通過比較，選定由Inter Control 廠家生產(chǎn)的DCF-I 控制器。DCF-I 控制器由兩個部分組成，分別為I/O 端和CPU，控制器以32 位處理器為核心，同時具備多端口的通訊接口，具體的硬件配置如下：3 個CAN 總線接口，2 個 RS232 接口，18 路開關(guān)量輸入接口，8 路開關(guān)量輸出接口，控制器實(shí)物圖如圖1 所示。

對掘進(jìn)機(jī)主回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用隔離換向開關(guān)作為電氣元件的開關(guān)，并在主回路中串聯(lián)450 A 熔斷器，用于保護(hù)電路出現(xiàn)短路的情況。在所有回路均增加真空接觸器，同時利用5 組不同量程的電流變送器對電路信息進(jìn)行采集。選定截割電機(jī)的額定功率為260/200 kW，額定電壓為1 140 V、額定電流為160 A。隔離開關(guān)選定OT400E12，隔離開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)為尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高。交流真空接觸器選定為CKJ5-250，該接觸器擁有4 對常開和3 對常閉的接觸點(diǎn)，能夠滿足本次設(shè)計(jì)的輔助控制要求。電流變送器選定CS50 的三相電流變送器，該變送器結(jié)構(gòu)較小，拆裝方便，且具備精度高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對電控系統(tǒng)的保護(hù)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的保護(hù)單元主要是由高壓低壓漏電檢測模塊、電流變送器、耦合器、分布式I/O 模塊、傳感器、電壓變送器等組成。在分布式I/O 溫度模塊中防止溫度傳感器，利用CAN 總線將檢測的溫度傳輸至控制器，在電控系統(tǒng)啟動時，漏電檢測模塊開始工作，對系統(tǒng)中檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時工作狀態(tài)。分布式 I/O 模塊選定為 WAGO-I/O-SYSTEM750，I/O 模塊與現(xiàn)場總線及終端模塊共同構(gòu)成總線節(jié)點(diǎn)。

圖1 控制器實(shí)物圖

顯示操作單元主要是用于操作人對電控系統(tǒng)進(jìn)行控制的單元，顯示操作單元設(shè)置在操作柜中，顯示單元主要的硬件為X2 型遠(yuǎn)程DI，這款設(shè)備結(jié)構(gòu)較為緊湊、經(jīng)濟(jì)效率及精度均較好，該模塊擁有一個CPU，主要用于開關(guān)量的采集，顯示屏選定為CZZ10，用于顯示人機(jī)界面。電控箱采用隔爆兼本質(zhì)安全型，完成硬件選型后對硬件系統(tǒng)進(jìn)行安裝。

2 電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

對系統(tǒng)主程序及子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，主程序及子程序工作流程圖見圖2。

主程序用于在延遲或者啟動瞬間完成對子程序的調(diào)試。子程序用于對子程序的控制器進(jìn)行管理，對接收到的映射數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行收集及按照順序進(jìn)行后續(xù)工作的開展。

系統(tǒng)狀態(tài)管理的子程序如圖3-1 所示，系統(tǒng)管理子程序是根據(jù)輸入?yún)?shù)對控制器I/O 進(jìn)行初始化，使得I/O 內(nèi)部及外部進(jìn)行相互映射，對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測管理。在子程序中包括了警鈴管理、參數(shù)的輸入輸出、系統(tǒng)變量的對應(yīng)及系統(tǒng)對電壓、瓦斯等參數(shù)的檢測。電機(jī)管理狀態(tài)子程序工作流程如圖3-2 所示，根據(jù)電控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的溫度對電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行管理。

對掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，監(jiān)控畫面包括了初始化畫面、電機(jī)故障界面、屏蔽畫面及支護(hù)運(yùn)行界面。通過人機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)及過往運(yùn)行故障檢查的功能，同時人機(jī)界面會對正在發(fā)生的故障及潛在故障信息進(jìn)行顯示，便于后期的故障排查。

圖2 系統(tǒng)主程序及子程序流程圖

圖3 子程序運(yùn)行流程圖

3 結(jié)語

基于核心IC 控制器的掘進(jìn)機(jī)電控器，使用人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了電機(jī)及過往運(yùn)行故障檢查的功能，操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)，為我國掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。