基于標(biāo)準(zhǔn)化的掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

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（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城事業(yè)部五人組 山西 048000）

1.標(biāo)準(zhǔn)化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)指的是在某一時(shí)間段內(nèi)，面對(duì)不同或通用產(chǎn)品，運(yùn)用共性條件，編制一致的要求與模式，落實(shí)適用性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)，滿足設(shè)計(jì)上完善、經(jīng)濟(jì)上科學(xué)、市場(chǎng)容量充沛的產(chǎn)品規(guī)劃。標(biāo)準(zhǔn)化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是電氣系統(tǒng)的模塊化規(guī)劃。模塊是構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)劃產(chǎn)品的基本組成，模塊化規(guī)劃是解決復(fù)雜系統(tǒng)難題的合理方式。模塊化規(guī)劃的特征不單單是面對(duì)單個(gè)產(chǎn)品，而是面對(duì)整個(gè)產(chǎn)品體系。模塊化針對(duì)產(chǎn)品構(gòu)造來(lái)說(shuō)，是特殊尺寸模數(shù)，是構(gòu)造經(jīng)典化、組建通用化、參數(shù)科學(xué)化、配備組合化的凝聚體。模塊是組件級(jí)（總成）與子系統(tǒng)級(jí)的通用件，以模塊能夠直接組成掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)，從而在更高層面上完成升級(jí)優(yōu)化[1]。掘進(jìn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化電氣系統(tǒng)的規(guī)劃大致具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：設(shè)計(jì)效果有保障，有助于提升電控箱的配備效果，提升設(shè)計(jì)強(qiáng)度，有助于落實(shí)配件生產(chǎn)的規(guī)模化、規(guī)范化與機(jī)械化，提升生產(chǎn)效果，加速生產(chǎn)進(jìn)程，有助于落實(shí)節(jié)省購(gòu)買消耗，便于后期運(yùn)轉(zhuǎn)與保養(yǎng)，提升經(jīng)濟(jì)收益，利于職工培養(yǎng)，推動(dòng)生產(chǎn)管控質(zhì)量的提升。

2.標(biāo)準(zhǔn)化電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)指的是在一定時(shí)間內(nèi)，面對(duì)不同或者通用產(chǎn)品，通過(guò)共性條件，設(shè)計(jì)一致的要求與模式，落實(shí)適用范圍豐富的規(guī)劃，滿足設(shè)計(jì)上完善、經(jīng)濟(jì)上科學(xué)、市場(chǎng)容量充沛的產(chǎn)品規(guī)劃。標(biāo)準(zhǔn)化電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是電氣系統(tǒng)的模塊化規(guī)劃。模塊是構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)劃產(chǎn)品的基本組成，模塊化規(guī)劃是解決復(fù)雜系統(tǒng)難題的合理方式。模塊化規(guī)劃的特征不單單是面對(duì)單個(gè)產(chǎn)品，而是面對(duì)整個(gè)產(chǎn)品體系，具備構(gòu)造經(jīng)典化、組建通用化、參數(shù)系統(tǒng)化、配備組合化的特征，模塊是組件級(jí)（總成）與子系統(tǒng)級(jí)的通用件，以模塊能夠直接組成掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)，從而在更高層面上完成升級(jí)優(yōu)化[1]。

3.標(biāo)準(zhǔn)化的電氣系統(tǒng)

(1)總體思路

標(biāo)準(zhǔn)化的電氣系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，主要將電氣系統(tǒng)按照功能劃分為各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功能單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。電控箱及其內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)化主要包括電控箱的防爆外殼、主要元部件等硬件、控制及顯示等軟件，電控箱外部的標(biāo)準(zhǔn)功能單元主要包括外部操作、遙控系統(tǒng)等。文中主要從電控箱及其內(nèi)部的軟硬件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，主要包括標(biāo)準(zhǔn)化的電控箱防爆外殼設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件設(shè)計(jì)。

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①標(biāo)準(zhǔn)化的電控箱防爆外殼。標(biāo)準(zhǔn)化電控箱防爆外殼在保證與現(xiàn)有左右結(jié)構(gòu)電控箱外形尺寸基本不變的情況下，采用上下腔結(jié)構(gòu)，外觀更加美觀、協(xié)調(diào)、科學(xué)。首先，外觀及尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，且從箱體結(jié)構(gòu)、環(huán)境適應(yīng)性和防護(hù)等級(jí)方面能適應(yīng)煤礦、工程隧道等不同工況環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)使用；其次，箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，從箱體內(nèi)部電氣功能單元排布、機(jī)械與電氣功能配合、整機(jī)功能擴(kuò)展性等方面能滿足不同用戶的不同需求；最后標(biāo)準(zhǔn)化電控箱外殼能適應(yīng)不同工況下不同功率的掘進(jìn)機(jī)的安裝。

電控箱外殼為長(zhǎng)方形上下腔結(jié)構(gòu)，具有耐爆性和隔爆性。箱體為雙腔結(jié)構(gòu)，由主腔、接線腔2個(gè)獨(dú)立的隔爆腔體組成，接線腔位于主腔上部；主腔門和接線腔門運(yùn)用螺栓緊固的方法，主腔門上設(shè)計(jì)觀察窗，能夠以完整的圖形化界面呈現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的各類運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時(shí)主腔門上設(shè)有鍵盤，能夠?qū)︼@示內(nèi)容進(jìn)行翻頁(yè)查詢。電控箱外殼在設(shè)計(jì)時(shí)已符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)等級(jí)。同時(shí)電控箱設(shè)計(jì)考慮了不同電壓等級(jí)AC660V、AC1140V、AC3300V下的接線腔接線端子的間距。有效解決了掘進(jìn)機(jī)電控箱應(yīng)用于不同工況不同電壓等級(jí)下的電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度低、差異化、個(gè)性化的問題。

②標(biāo)準(zhǔn)化的硬件設(shè)計(jì)。電控箱內(nèi)部硬件的標(biāo)準(zhǔn)化主要包括主回路主要元部件選型、電源單元、控制保護(hù)單元的標(biāo)準(zhǔn)化等。

A.主要元部件的選型。主回路根據(jù)AC660V～AC3300V電壓等級(jí)的不同，應(yīng)用工況的差異對(duì)電氣系統(tǒng)的不同需求以及元部件的可靠性等方面對(duì)斷路器、接觸器及電流變送器進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化選型。當(dāng)電氣系統(tǒng)應(yīng)用于野外或工程隧道時(shí)，AC660V或AC1140V電源往往是通過(guò)民電升壓或柴油發(fā)電機(jī)來(lái)提供，供電電源存在電源容量有限或供電質(zhì)量較差的問題，大功率電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)勢(shì)必會(huì)造成啟動(dòng)壓降較大或不能啟動(dòng)，電控箱內(nèi)部在硬件上集成了控制功率為340kW的電機(jī)軟啟動(dòng)器，較低成本的實(shí)現(xiàn)了大功率電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)，使得電氣系統(tǒng)能夠適應(yīng)AC660～AC3300V不同電壓等級(jí)或變電站、民電升壓和柴油發(fā)電機(jī)等不同方式的供配電系統(tǒng)。

B.電源單元。電源單元的外觀根據(jù)選定的電氣件、電氣件的電氣間隙和爬電距離及電氣件對(duì)空間的散熱要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)合理的可操作性，抗振動(dòng)性而進(jìn)行設(shè)計(jì)。電源單元無(wú)論是外觀還是內(nèi)部電氣件的選型及布置等都充分考慮了掘進(jìn)機(jī)電控箱在不同工況對(duì)電源及電源控制的需求。

C.控制保護(hù)單元。控制保護(hù)單元融合信號(hào)搜集、把控、保護(hù)、參數(shù)設(shè)計(jì)、通訊等功能于一體，通過(guò)采集外部信號(hào)、電機(jī)、本安信號(hào)、傳感器等設(shè)備的信號(hào)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的控制和保護(hù)等功能；通過(guò)預(yù)留的通訊接口與遙控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程顯示系統(tǒng)等設(shè)備通訊，可滿足用戶添加遠(yuǎn)程操控、情況檢測(cè)、信息上傳等功能。把控保護(hù)單元規(guī)范化硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 控制保護(hù)單元系統(tǒng)圖

控制保護(hù)單元內(nèi)部采用嵌入式PC控制器作為主要控制器，通過(guò)單個(gè)硬件完成PLC、運(yùn)動(dòng)控制和可視化任務(wù)的嵌入式控制器。控制保護(hù)單元的外部線路連接器選用了國(guó)際通用的AMP連接器，提高了控制保護(hù)單元在外部線路上的抗振性能。外觀是根據(jù)選定的電氣件、電氣件的電氣間隙和爬電距離及電氣件對(duì)空間的散熱要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裝配工人科學(xué)合理的可操作性、售后服務(wù)人員的可維護(hù)性，抗振動(dòng)性而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。無(wú)論是外觀還是內(nèi)部電氣件的選型及布置等都充分考慮了掘進(jìn)機(jī)電控箱在不同工況的需求。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化的軟件設(shè)計(jì)

電控箱內(nèi)部的軟件主要有控制保護(hù)和顯示程序的標(biāo)準(zhǔn)化。

①控制保護(hù)程序的標(biāo)準(zhǔn)化。主控制程序的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其核心是建立標(biāo)準(zhǔn)程序以及對(duì)應(yīng)的代碼庫(kù)。在構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)程序方面，代碼庫(kù)能夠從代碼命名的規(guī)范化，控制的標(biāo)準(zhǔn)化，保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的主控制器軟件構(gòu)架框圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化的主控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖

代碼命名的規(guī)范化。全部代碼命名如變量、常量、函數(shù)及構(gòu)造體等的定義通過(guò)通用的國(guó)際指標(biāo)[2]。代碼命名的標(biāo)準(zhǔn)化示例如圖3所示。

圖3 代碼命名的標(biāo)準(zhǔn)化示例

控制程序的標(biāo)準(zhǔn)化。把軟件控制的共性提取出來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)化程序可以選擇性調(diào)用。保護(hù)程序的標(biāo)準(zhǔn)化。把回路保護(hù)的共性提取出來(lái)，回路保護(hù)子程序通過(guò)功能塊圖庫(kù)的形式，能夠?qū)ζ溟_展挑選性調(diào)用。

②呈現(xiàn)程序的規(guī)范化。呈現(xiàn)程序的規(guī)范化分為把控呈現(xiàn)程序的規(guī)范化和呈現(xiàn)畫面的規(guī)范化。A.主控制呈現(xiàn)程序的規(guī)范化。囊括代碼命名的規(guī)范化，控制的標(biāo)準(zhǔn)化。代碼命名的標(biāo)準(zhǔn)化同控制保護(hù)程序的代碼命名標(biāo)準(zhǔn)化，不再贅述。控制標(biāo)準(zhǔn)化，采用同樣的配置方法和思路，加載所使用的硬件設(shè)備，系統(tǒng)自動(dòng)生成Application，再進(jìn)行任務(wù)配置加載Task configuration，加載Task，每個(gè)Task需要配置優(yōu)先級(jí)，然后進(jìn)行代碼的實(shí)現(xiàn)。B.顯示畫面的標(biāo)準(zhǔn)化。圖形顯示界面的設(shè)計(jì)在PC機(jī)上設(shè)計(jì)好所需的圖片，加載至程序中，同時(shí)寫到顯示器系統(tǒng)，編譯下載將其顯示出來(lái)。圖形顯示界面的優(yōu)勢(shì)在于大大縮減了軟件代碼，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，不同機(jī)型對(duì)應(yīng)的顯示界面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，不需要重復(fù)設(shè)計(jì)。

4.結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)化的電氣系統(tǒng)采用智能控制的設(shè)計(jì)思路，滿足煤礦、工程隧道和無(wú)機(jī)鹽礦山等不同工況環(huán)境和不同用戶需求的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，解決了電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、主要部件選型標(biāo)準(zhǔn)化、電氣產(chǎn)品裝配、調(diào)試、技術(shù)資料和售后服務(wù)等電氣系統(tǒng)全生命周期過(guò)程的個(gè)性化問題，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)安全、高效、集約化礦業(yè)生產(chǎn)提供高效的技術(shù)支撐。基于標(biāo)準(zhǔn)化的掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)已有效運(yùn)用于多種不同工況的掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用順利、有效，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的批量規(guī)模，具有較高的推廣價(jià)值。