懸臂式掘進機電控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

劉 偉

（大同煤礦集團朔州煤電公司小峪煤礦，山西 朔州 038300）

引言

煤炭資源需求隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展日益增多，采煤工作量逐年增加，極大地推動了采煤事業(yè)的發(fā)展，尤其是機械化、自動化、智能化必將成為煤炭采掘行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。掘進機作為煤炭采掘工作的重要設(shè)備之一，其工作性能的好壞不僅關(guān)系煤炭掘進的安全性，還與煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了廣泛關(guān)注[3-4]。控制系統(tǒng)作為掘進機的重要組成部分，相較于普通裝置而言，其服役環(huán)境較為惡劣，如水霧、粉塵、煤層等，經(jīng)常出現(xiàn)控制故障，降低掘進機工作效率，增加運維人員的勞動強度，限制了煤炭企業(yè)的掘進效率和產(chǎn)量[5-6]。針對某煤炭企業(yè)對掘進機電控系統(tǒng)提出的新要求，開展了更合理、更可靠電控系統(tǒng)設(shè)計工作與應(yīng)用工作具有重要意義。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計要求

根據(jù)掘進機原有電控系統(tǒng)的實際情況，提出了新設(shè)計電控系統(tǒng)的具體要求，第一是控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)接收掘進機實現(xiàn)運行狀態(tài)參數(shù)且可以根據(jù)需要對其發(fā)送控制指令；第二是能夠自主根據(jù)采集得到的掘進機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及環(huán)境因素參數(shù)進行邏輯分析處理，判斷掘進機是否正常工作；第三是一旦發(fā)現(xiàn)掘進機故障能夠及時發(fā)出故障預(yù)警，包括漏電斷電、警鈴、故障位置及處理策略等；第四是電控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

2 電控系統(tǒng)方案

根據(jù)煤炭企業(yè)對掘進機電控系統(tǒng)提出的新要求，完成了掘進機電控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，如圖1所示。控制器作為掘進機電控系統(tǒng)的核心部件，負責(zé)控制指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的處理、故障預(yù)警等功能，通過上位機進行實時數(shù)據(jù)顯示。控制器輸入信息來源于操作箱按鈕、電機運行參數(shù)、各類環(huán)境監(jiān)測傳感器、電控回路等，輸出信號涉及電機的啟停及漏電保護、故障預(yù)警、照明開閉等。電控系統(tǒng)通過檢測掘進機實時運行參數(shù)的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)掘進機的實時監(jiān)測和遠程控制，如油泵電機啟停、截割高速和低速的切換、運輸機啟停、風(fēng)機啟停、電機保護、故障預(yù)警等。

圖1 電控系統(tǒng)方案

3 系統(tǒng)詳細設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 控制器的選型

掘進機工作于煤礦巷道之中，工作環(huán)境惡劣，如高濕度、粉塵、腐蝕氣體等，因此對掘進機電控系統(tǒng)組件的環(huán)境適應(yīng)性要求較高。同時，截割時煤巖臂的反作用力會增加機身的振動，導(dǎo)致掘進機載荷波動較為劇烈。另外，煤礦井下電網(wǎng)質(zhì)量較差，運行時存在大負荷和高用電量時電壓波動大的問題，出現(xiàn)故障時維修操作空間小、勞動工作量大，排除故障需要較長的時間。因此設(shè)計電控系統(tǒng)時所選的電控系統(tǒng)元器件需要具有防護等級高、抗震性強、低故障率等特點，傳統(tǒng)PLC 明顯不能適應(yīng)上述應(yīng)用產(chǎn)所，故選擇了Inter Control 廠家的DCF-I 控制器作為控制核心。

3.1.2 主回路設(shè)計

主回路設(shè)計采用隔離換向開關(guān)，配置一組450A熔斷器用于短路保護，控制回路中使用交流真空接觸器，設(shè)置五組量程不同電流變送器完成保護電路的信號采集。結(jié)合掘進機各個電機回路參數(shù)及高低速控制要求，確定了總回路的額定電流為291.5 A。基于此完成主電路電氣元件的選擇，隔離換向開關(guān)型號為OT400E12，熔斷器型號為3NE3233，交流真空接觸器型號為CKJ5-250，電流變送器型號為CS50-1500/10VDC，電流變送器型號為CS50-1000/10VDC，電流變送器型號為CS50-100/10VDC。

3.1.3 保護單元

保護單元涉及漏電檢測、電壓電流傳感器、油溫油位傳感器、瓦斯氣體傳感器等功能，監(jiān)測掘進機實時工作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，立即啟動故障預(yù)警。根據(jù)電控系統(tǒng)需求完成了相關(guān)電氣元件的選型，通訊模塊型號為750-337，模擬量模塊型號為750-459，溫度采集模塊型號為750-460，終端模塊型號為750-600，絕緣監(jiān)視儀型號為IR420-D6-1，耦合儀型號為AGH520S，絕緣監(jiān)視儀型號為IR420-D4-1，電壓變送器型號為PAS-UG1-2000，油溫傳感器型號為KG3044，油位傳感器型號為GUY10，甲烷傳感器型號為GJC4。

3.1.4 控制電源

掘進機控制系統(tǒng)配置的電源涉及控制變壓器、本安直流電源1 個，非本安直流電源2 個，高壓熔斷器1 個和空氣斷路器3 個。變壓器輸入電壓為1 140（660）V，輸出電壓分別為110 V、127 V、220 V。本安電源選擇110 V 線路供電，照明和報警選擇127 V線路供電，其他電氣元件由220 V 線路取電。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 主程序

掘進機電控系統(tǒng)主程序流程如圖2 所示，涉及開機延時、程序初始化、系統(tǒng)狀態(tài)管理、電機程序管理、運行狀態(tài)判斷處理程序等，其主要作用是在延遲等待其他通訊器件啟動完成后，完成各個大的子程序的調(diào)用。

圖2 電控系統(tǒng)主程序流程

3.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序

系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序的作用是完成核心控制器中I/O 轉(zhuǎn)換程序進行初始化處理，實現(xiàn)外部I/O 和內(nèi)部控制完成映射，完成掘進機運行參數(shù)的監(jiān)測與管理。其主要包括故障預(yù)警、控制器輸入輸出狀態(tài)和系統(tǒng)程序變量的對應(yīng)關(guān)系，主要指監(jiān)測電壓電流數(shù)值與物理量的對應(yīng)關(guān)系。

3.2.3 運行狀態(tài)判斷處理子程序

電控系統(tǒng)運行狀態(tài)判斷與處理程序流程如圖3所示，是掘進機邏輯控制功能實現(xiàn)的核心，其作用是依據(jù)電控系統(tǒng)中采集得到掘進機運行參數(shù)、環(huán)境因素、操作控制指令等實時數(shù)據(jù)，通常數(shù)據(jù)處理和分析，判斷掘進機是否工作正常，并經(jīng)工作情況顯示于系統(tǒng)的人機交互界面中。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，及時發(fā)出故障預(yù)警，提示故障出現(xiàn)的位置及修復(fù)策略，提高電控系統(tǒng)故障排查效率，提高掘進機的有效工作時間。

圖3 運行狀態(tài)判斷處理子程序流程

3.3 人機交互界面

人機交互界面用于顯示井下掘進機運行狀態(tài)參數(shù)的實時顯示，讓掘進機監(jiān)控人員實時掌握掘進機的工作狀況，并且監(jiān)控人員能夠根據(jù)實時運行參數(shù)及其變化趨勢，對掘進機進行遠程操控指令的控制，實現(xiàn)掘進機在線監(jiān)測與遠程控制的目的。如圖4 給出了掘進機電控系統(tǒng)主工作界面，實時顯示了電機的運行狀態(tài)、電流、溫度、油溫、油位、進線電壓等參數(shù)。一旦掘進機運行過程中出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)超標，系統(tǒng)會立即發(fā)出報警信息，提示故障問題及位置，指導(dǎo)監(jiān)控人員及時調(diào)度系統(tǒng)運維人員進行系統(tǒng)故障排查與修復(fù)，保證系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)至工作狀態(tài)，保證掘進機的安全穩(wěn)定運行。

圖4 電控系統(tǒng)主工作界面

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證懸臂式掘進機電控系統(tǒng)設(shè)計的可行性和合理性，將其應(yīng)用于服役中的掘進機進行試運行，跟蹤記錄控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足掘進機實時狀態(tài)監(jiān)控、遠程控制和故障報警等功能要求。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于原掘進機電控系統(tǒng)，新電控系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了電控系統(tǒng)近10%的故障排查時間，節(jié)約了2～3 名系統(tǒng)運維人員，提高了近5%煤礦井下各采煤設(shè)備利用率，降低了煤炭掘進成本，預(yù)計為企業(yè)新增經(jīng)濟效益近60 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。