掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張宏建

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是一種集機(jī)、電、液于一體的大型巷道掘進(jìn)設(shè)備，其運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下巷道掘進(jìn)效率和安全性。由于井下地質(zhì)環(huán)境惡劣，掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)需要承受長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)、粉塵影響，因此極易出現(xiàn)故障，影響井下巷道掘進(jìn)效率。目前掘進(jìn)機(jī)上沒(méi)有完善的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)法提前對(duì)運(yùn)行異常進(jìn)行自動(dòng)判斷，而出現(xiàn)故障后需要人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行排查，效率低、安全性差，無(wú)法滿足井下高效掘進(jìn)的需求。

本文在對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行工作流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了影響運(yùn)行狀態(tài)的最關(guān)鍵參數(shù)，建立了一套掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常上自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)故障進(jìn)行定位和原因分析，為故障排查提供依據(jù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系投入運(yùn)行后，將掘進(jìn)機(jī)故障率降低了72.4%，將故障排除時(shí)間降低了84.6%，顯著提升了掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)提升巷道掘進(jìn)效率具有十分重要的意義。

1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)是一種以電、液控制為核心，來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，因此掘進(jìn)機(jī)的電液系統(tǒng)的故障率高、可靠性較差，該智能監(jiān)控系統(tǒng)主要的監(jiān)測(cè)核心是對(duì)電機(jī)控制部分和液壓系統(tǒng)的監(jiān)控。

掘進(jìn)機(jī)的電機(jī)控制部分監(jiān)測(cè)主要是對(duì)電機(jī)的運(yùn)行電流、電壓、電機(jī)溫度的監(jiān)控，系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)各電機(jī)的運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行采集后，將其傳輸?shù)娇刂浦行膶?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后利用中間繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備運(yùn)行情況的控制，滿足掘進(jìn)機(jī)的工作需求。各個(gè)控制電機(jī)的保護(hù)信號(hào)主要以模擬信號(hào)的方式進(jìn)行輸入，若電機(jī)出現(xiàn)故障后，模擬量信號(hào)及時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸給機(jī)電控制裝置，根據(jù)模擬量數(shù)據(jù)信息，對(duì)電機(jī)的故障原因進(jìn)行初步的分析，并發(fā)出保護(hù)信號(hào)，切斷電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效保護(hù)。電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊如圖1所示[1]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

由圖1可知，在該系統(tǒng)中，為了避免異常狀態(tài)下過(guò)大的電流對(duì)中央控制系統(tǒng)的損壞，在電流監(jiān)測(cè)模塊和中央控制系統(tǒng)之間設(shè)置了隔爆型斷路器和接觸器，各類信號(hào)均通過(guò)斷路器進(jìn)行傳遞和控制，滿足精確控制需求。

掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中各類動(dòng)作的執(zhí)行，主要是通過(guò)電控系統(tǒng)給電磁換向閥施加控制信號(hào)，控制換向閥的通斷和開(kāi)合時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)各類液壓缸的控制，滿足搖臂升降、錨桿支撐、鏟板動(dòng)作等。其執(zhí)行情況和液壓系統(tǒng)的工作壓力、流量等直接相關(guān)，因此對(duì)液壓回路的監(jiān)測(cè)需要在每個(gè)液壓閥前增加一個(gè)堵漏的液壓監(jiān)測(cè)回路，滿足在工作過(guò)程中全面監(jiān)控的需求，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如上頁(yè)圖1-2所示[2]。

2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電監(jiān)控原理

掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)各類電機(jī)需連續(xù)運(yùn)行且電流和電壓控制信號(hào)變化較弱，井下截割環(huán)境復(fù)雜極易產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果失效，影響實(shí)際的監(jiān)控準(zhǔn)確性。同時(shí)井下溫度低、風(fēng)量大，對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)也極易出現(xiàn)失真情況，因此為了提升掘進(jìn)機(jī)機(jī)電監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，本文提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)機(jī)電信號(hào)監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)方案[3]。

在對(duì)電機(jī)的工作電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以采用互感器轉(zhuǎn)換法[4]，將電機(jī)上的強(qiáng)電流轉(zhuǎn)換為能夠被控制器采集到的敏感電流，確保信號(hào)采集的精確性，電流互感器安裝結(jié)構(gòu)如圖2-1所示[5]，位于電機(jī)接觸器的下側(cè)，能夠快速監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流變化情況。當(dāng)系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障后會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)電機(jī)的電流發(fā)生異常，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電流異常后自動(dòng)進(jìn)行分析并控制繼電器動(dòng)作，對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行電機(jī)在工作時(shí)最常見(jiàn)的故障是因負(fù)載分布不均勻?qū)е碌碾姍C(jī)長(zhǎng)時(shí)間在高負(fù)荷下工作，導(dǎo)致溫度升高電機(jī)燒毀。因此在電機(jī)內(nèi)設(shè)置了以鉑電阻[6]為核心的溫度監(jiān)測(cè)裝置，分別是在電機(jī)內(nèi)的3個(gè)繞組處和電機(jī)的軸承座內(nèi)，當(dāng)溫度低于電機(jī)正常運(yùn)行極限溫度（120℃）時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)溫度升高超過(guò)120℃時(shí)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并切斷電機(jī)的電液，確保電機(jī)的安全，該溫度監(jiān)測(cè)原理如圖2-2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電監(jiān)測(cè)原理

3 監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯

掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是機(jī)電液共同作用下的結(jié)果，因此對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行邏輯的分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)可行性，本文所提出的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控邏輯如圖3所示[7]。

由圖3可知，系統(tǒng)在開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確認(rèn)系統(tǒng)穩(wěn)定后對(duì)液壓泵站內(nèi)油溫和液位情況進(jìn)行檢查，若不存在異常則異常對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查和啟動(dòng)，然后開(kāi)始執(zhí)行故障診斷邏輯，依靠各類傳感器對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和分析，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并持續(xù)時(shí)間超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值后便開(kāi)始進(jìn)行故障報(bào)警和定位，幫助維修人員進(jìn)行快速確定。

圖3 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控邏輯示意圖

該系統(tǒng)自投入應(yīng)用以來(lái)，對(duì)3個(gè)月內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，掘進(jìn)機(jī)的評(píng)估故障次數(shù)由最初的17.6次/月降低到了目前的4.86次/月，平均故障率降低了72.4%。處理故障的平均時(shí)間由最初的10.7 min降低到了目前的1.65 min，將故障排除時(shí)間降低84.6%，顯著提升掘進(jìn)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)缺失，不具備故障提前預(yù)警功能，當(dāng)出現(xiàn)故障后排除效率低的缺陷，提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)原理等進(jìn)行了分析，根據(jù)應(yīng)用結(jié)果表明：

1）該智能監(jiān)控系統(tǒng)主要的監(jiān)測(cè)核心是對(duì)電機(jī)控制部分和液壓系統(tǒng)的監(jiān)控；

2）采用互感器轉(zhuǎn)換法能夠精確監(jiān)測(cè)到電機(jī)電流的變化情況，采用鉑電阻溫度監(jiān)測(cè)法能夠有效監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行溫度的變化情況；

3）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明新的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)故障率降低72.4%，將故障排除時(shí)間降低84.6%，顯著提升掘進(jìn)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。