懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)研究

郭 斌

（汾西礦業(yè)高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032300）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是現(xiàn)階段煤礦常用的機(jī)械設(shè)備，對(duì)提高礦井巷道掘進(jìn)效率具有重要意義。電控系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)核心組件，為提高掘進(jìn)機(jī)工作效率以及智能化程度，加強(qiáng)對(duì)電控系統(tǒng)的研究很有意義。山西某礦井下巷道使用EBZ系列懸臂式掘進(jìn)機(jī)，使用的掘進(jìn)機(jī)具有承載能力強(qiáng)、截割穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高等特點(diǎn)，同時(shí)電控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行故障診斷、監(jiān)測(cè)以及控制等功能升級(jí)。文中以EBZ系列懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)展開(kāi)研究，以期進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)工作效率。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)實(shí)物如圖1所示，結(jié)構(gòu)組成包括有掘進(jìn)部、行走部、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 掘進(jìn)機(jī)實(shí)物圖

表1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)

EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)可用以8～20 m2斷面巷道掘進(jìn)，最大破巖強(qiáng)度達(dá)到80 MPa，適應(yīng)行走坡度在±16°以內(nèi)地點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)模塊設(shè)計(jì)，方便掘進(jìn)機(jī)從地面拆卸、分部運(yùn)輸至井下組裝，對(duì)運(yùn)輸巷道斷面要求較小。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)部分是主要組成單元，結(jié)構(gòu)包括有減速器、電機(jī)、截割頭、懸臂以及固定架等組成。掘進(jìn)機(jī)機(jī)載電控系統(tǒng)由按鈕控制箱、傳感器、電控箱、電機(jī)等構(gòu)成。文中以該懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)電控系統(tǒng)展開(kāi)研究。

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)掘進(jìn)機(jī)井下工作環(huán)境情況，并結(jié)合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，歸納出掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)要求：第一，通信系統(tǒng)傳輸效率高，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制信號(hào)快速、精準(zhǔn)傳輸；第二，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括有電壓、電流、溫度、操作箱狀態(tài)、通信系統(tǒng)工作狀態(tài)等；第三，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行期間故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)及診斷，及時(shí)發(fā)出預(yù)警并顯示故障點(diǎn)位置；第四，對(duì)掘進(jìn)機(jī)各電機(jī)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)預(yù)警。

2.1 電控系統(tǒng)架構(gòu)

文中所提電控系統(tǒng)核心為高性能控制器，控制器輸入信號(hào)以電壓、溫度、油位、泄漏等為主；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況發(fā)出電機(jī)漏電、設(shè)備啟停、故障預(yù)警等控制以及預(yù)警指令。電控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析及判斷，通過(guò)顯示屏顯示的同時(shí)向掘進(jìn)機(jī)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。具體設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電控系統(tǒng)用24 V電源兼做電控箱（本安型），通過(guò)4AD模塊（BH-9型）進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)參數(shù)分析及保護(hù)，4AD模塊（BH-9型）集成有數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)采集等功能模塊，顯示屏為觸控式；在電控系統(tǒng)中對(duì)掘進(jìn)機(jī)漏電、瓦斯?jié)舛鹊葘?shí)時(shí)顯示；為便于后續(xù)檢查及維護(hù)，將平臺(tái)電壓統(tǒng)一為220 V。

2.2 電控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備確定

1）控制器。由于煤礦井下空氣濕度大，充滿瓦斯、粉塵等有害物質(zhì)，對(duì)控制器穩(wěn)定性以及可靠性等要求較高。為此，電控系統(tǒng)控制器選擇技術(shù)成熟、煤礦井下使用廣泛的DCF-1型。該控制器處理器為32位，結(jié)構(gòu)包括I/O端、CPU端兩個(gè)部分，具備有多個(gè)通信接口，內(nèi)置的外圍接口可滿足電控系統(tǒng)構(gòu)建需求。同時(shí)該控制器還具備有掉電存儲(chǔ)區(qū)，確保突然斷電后對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取。

2）信號(hào)采集系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)工作期間需對(duì)電機(jī)、設(shè)備溫度等各種參數(shù)進(jìn)行采集，采集工作主要依靠傳感器實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)針對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)選用不同的監(jiān)測(cè)傳感器。監(jiān)測(cè)信號(hào)采集及傳輸采用CAN總線，采用的CAN總線具有傳輸效率高、利用率高等優(yōu)點(diǎn)。具體信號(hào)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。溫度信號(hào)采集用AT-1A溫度傳感器，監(jiān)測(cè)精度0.1℃，監(jiān)測(cè)結(jié)果可同步傳輸至BH9保護(hù)模塊；電壓監(jiān)測(cè)用變壓器針，型號(hào)為CSP2-1500Vb，該電壓監(jiān)測(cè)傳感器可將監(jiān)測(cè)到的電壓快速轉(zhuǎn)換成5 V、12 V等電壓值，實(shí)現(xiàn)電壓平臺(tái)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。采用IR420-D6絕緣監(jiān)視儀對(duì)電機(jī)絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-4]。

圖3 信號(hào)采集系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

2.3 電控系統(tǒng)控制程序

電控系統(tǒng)運(yùn)行程序采用PROSYD 1131編制，控制程序由初始化程序、系統(tǒng)管理程序、狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)及診斷程序、電機(jī)管理程序等構(gòu)成，具體電控系統(tǒng)控制程序運(yùn)行流程如圖4所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用分析

為掌握文中所提掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行效果，在山西某礦21105運(yùn)輸巷EBZ260掘進(jìn)上安裝該電控系統(tǒng)，并進(jìn)行為期2個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，具體電控系統(tǒng)主控界面如圖5所示。當(dāng)電控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，電控系統(tǒng)主界面會(huì)顯示故障發(fā)生位置，推薦故障排除方法。

圖4 電控系統(tǒng)控制程序運(yùn)行流程圖

圖5 電控系統(tǒng)主控界面

電控系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)查詢以及掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)導(dǎo)出，用戶可依據(jù)自己需要，對(duì)導(dǎo)出的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用該電控系統(tǒng)后，得到了有關(guān)作業(yè)人員的認(rèn)可[5-7]。

4 結(jié)語(yǔ)

文中以礦井常用的EBZ260掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)展開(kāi)研究。電控系統(tǒng)采用的DCF-1控制器作為核心處理器，并采用CANOpen總線作為通信模塊，通過(guò)布置的各類傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。電控系統(tǒng)具備有故障自動(dòng)診斷功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到掘進(jìn)機(jī)存在故障時(shí)會(huì)給出故障位置以及故障排除方法。在山西某礦21105運(yùn)輸巷掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用后，該電控系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及控制，可在一定程度上提升掘進(jìn)機(jī)工作效率以及運(yùn)行可靠性。