煤巷綜掘機電控系統自動化設計與應用

郝躍飛

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司賀西煤礦,山西 呂梁 033300)

0 引言

隨著現階段我國煤礦現代化水平和機械化率的不斷提高,更多的大型機械裝備投入礦井用于采煤、掘進、運輸[1-4]。由于先進裝備的引進應用,礦井運煤和出矸作業形成高效率的流水線形式,不僅極大地降低人工成本,更為職工改善作業環境和生產條件提供了安全保障[5-9]。但是設備技術的不斷改進,由自動化向智能化的轉變升級,仍然面臨諸多困難[10-12]。基于此,為更加適用于礦井作業條件和環境,將汾西礦業集團賀西煤礦使用的EBZ260型綜掘機原有設備電控系統進行優化改進,重新設計,極大提高了生產作業線的掘進效率。

1 EBZ260型綜掘機參數

1.1 綜掘機硬件配套設施

EBZ260型綜掘機的硬件配套裝備主要包括行走部分、支撐部分、掘進部分、控制系統、水路液壓系統等部分,其截割搖臂以及滾筒的最大抗壓強度可達到80 MPa,根據搖臂的扭矩,其適用于巷道斷面面積為8～22 m2,最大施工行走坡度為±16°,銘牌顯示基本參數見表1。

為了便于設備的拆裝入井和運輸,采用模塊化的安裝設計,具體可將綜掘機拆解為電機、行走履帶、截割搖臂、截割頭、減速機、固定回轉臺、液壓缸支撐架和連接管路等部分。綜掘機的主要控制系統由電控箱、集成操作臺、開關按鈕箱、傳感器和驅動電機等組成,而集成電路板、控制元件等與電控箱為一個整體,采用隔爆式設計,并與配有顯示裝置和報警裝置的操作面板共同完成對設備的控制。

1.2 綜掘機控制系統

雖然EBZ260掘進機在實際生產中通過電控系統可以實現一定程度的自動化,但相比于現階段的智能化綜合機械而言,還有一定的差距,其控制精度也存在問題。

現有的控制系統可以監控運行中的油溫、油位等異常故障信息,但是在整個集成網絡中上傳速度、遠程監控和面板報警顯示等功能仍不健全;現有設備出廠設計中未留有足夠數量的通信網絡接口,造成信號傳輸速度慢,且在后期改進擴容網絡和系統升級時,無法將其有效改造并入更先進的集成系統中;現有電控系統對于常見的過流保護、過載保護、失壓保護等不能有效實現保護,當出現設備故障時,不能及時反饋進行保護動作;電控系統不能及時將設備的具體故障點和故障原因進行有效排查并上傳,遠程監控系統也不能顯示井下作業現場的實時信息,在檢修排查過程中,不僅需要耗費人力物力,更耽誤了有限的生產時間,導致檢修效率較低。因此,如何建立更加完善和更加高效的綜掘機自動化控制系統,對于提高礦井安全生產管理水平具有重要的實踐意義。

2 電控系統整體設計

2.1 系統控制要求

根據MT/T238.3標準要求,以及綜掘機實際工作環境,設計電控系統的具體控制要求:數據線可對實時數據與故障信號完成快速傳輸;對綜掘機運行期間的主要狀態參數進行實時檢測,其中包括油箱油位、油溫狀態、系統電壓、總線模塊、控制面板狀態、絕緣監測、瓦斯檢測等;故障報警后,對于故障原因判斷和報警提示等響應,并且在故障處理完成后,報警提示自動解除;對行走電機和截割電機的狀態檢測,如過電流、過電壓等狀態。

2.2 系統框架結構設計

在EBZ260型綜掘機現有電控系統可檢測的故障基礎上,對控制系統進行改革升級[3]。主要利用高性能的控制器來實現對數據處理、傳感器檢測、故障判斷與預警等功能,并經過各種信號指令的收發,顯示在控制大屏上。其中,輸入信號就包括電流信號、電壓信號、溫度報警信號、油位信號、傳感器信號等;而輸出信號則包括故障報警、電機啟停、運轉狀態、設備啟停等。當控制處理器接收到相對應的信號后,經過數據信號的分析、計算、判斷,回傳到計算機終端,從而根據終端指令判斷,做出設備啟停、保護作用、故障報警等動作。

根據電控系統的控制要求,以及現有的控制結構,將整體電控箱電源設計為24 V的本安型防爆電源,并輔助配備BH-9型4AD保護功能模塊,根據功能需要不同,如數據處理、信號轉換、信號執行、指令采集等,將電控模塊進行簡化。系統框架結構設計如圖1所示。

圖1 系統框架結構設計

3 控制系統子系統設計

3.1 控制器型號參數選擇

由于綜掘機生產作業的環境具有煤塵大、高溫、潮濕等特點,這種環境對各種傳感器有一定的銹蝕作用。因此,為滿足環境適應要求,對控制器的型號選擇也要求較高。經過分析比對,確定技術成熟的DCF-1型控制器。定型后,該型控制器采用全封閉太空鋁材料封裝,并且對于防塵、防潮、防震動、防靜電和防電磁干擾等具有優良抵抗特性;同樣基于32位高性能的微處理器,主要由CPU和I/O這2個終端部分構成,其多個數據采集、通信接口也能夠滿足后期擴展升級的需要,不需經過外部端口接入的增加而構建電控系統,而較大容量的掉電存儲也能夠確保在故障停電期間實現對數據的任意讀取與存儲。DCF-1型控制器樣品如圖2所示。

圖2 DCF-1型控制器樣品

3.2 信號采集設計

綜掘機在截割作業時,需要采集多種類型的信號以檢測設備運行狀態是否正常完好,如對電機的啟停、油溫、油位、電壓、電流等信號采集。針對特定信號,需要采取專門方式進行采集,利用CAN總線將采集信號與輸出模塊和控制器進行連接,按照圖3所示的信息采集功能架構實現控制箱對于信號傳輸的功能擴展。當綜掘機的油箱工作溫度達到預設警戒值時,可以通過AT-1A熱阻感溫傳感器實現檢測,其精確誤差可達到±0.1 ℃,并將信號傳輸至BH9保護模塊中;采用CSP2-1500V型傳感器檢測工作電壓,將接入電壓快速變壓調頻至設備運行所需的5 V、12 V等值電壓,從而實現效果檢測;選用IR420-D6型號的檢測儀,在供電回路中可接入兩組繼電器節點、接觸器閉合節點,對電機運行過程中的回路是否開斷進行檢測,從而實現電機絕緣信號的采集傳輸。

圖3 信號采集功能架構

3.3 CAN總線設計

CAN總線系統具有明顯的設計優勢,其采用非破壞式的總線仲裁機制,可有效避免多節點的數據沖突,傳輸速率更是高達1 Mbit/s,具有更強的糾錯機制和檢錯能力。改進系統后采用CANOpen協議,提高總線控制的可靠性,多節點的終端接口,利于后期不同設備型號配置的更好接入與兼容。在現有綜掘機控制系統的基礎上,將CANOpen總線系統設計劃分為電控箱和操作箱2部分,并通過雙絞屏線進行連接,如圖4所示。其中,電控箱內置有24 V總電源、控制器、分布式I/O等,操作箱內置有遠程DI、顯示屏,兩者皆有的光耦隔離則內置有保護通信接口的中繼模塊。

圖4 CAN總線設計結構

3.4 電控箱設計

電控箱一般安裝在綜掘機操作臺的側后方,其中封裝有控制電路板、元器件、動作元件等,本著安全隔爆的使用設計原則,將其設計為上下2個獨立腔體,通過控制線和電纜接線2個端子接線方式進行連接。電控箱正視圖如圖5所示。

圖5 電控箱正視圖

電控箱的下方為主腔,設置有電路熔斷器、保護裝置、絕緣檢測模塊、變壓器、繼電器、DC電源、交流互感器等器件,且在腔室后壁安裝有耦合儀表和真空接觸器。在主腔室的外殼設置有接地螺栓和隔離開關,為提高其操作安全性,防止誤動作,還增設有機械鎖。主電路板門板裝有撥動式電源啟停開關,采用FX2N-64MR可編程式控制器,以及BH9集成信號轉換器等,以此更加優化腔體內的元器件布局,提高電控箱的使用操作穩定性和安全性。

3.5 電氣系統軟件設計

3.5.1 主程序控制設計

電氣系統的主程序編程軟件主要采用符合IEC國標的PROSYD 1131軟件,可支持主流普適的編程語言,其具有豐富功能的指令程序和快速計算能力,如比較函數、循環函數、賦值函數、定時器函數、移位函數、計算器函數、浮點數運算函數、PID函數等的計算功能,除既定設置的函數計算程序,用戶也可以根據實際需要進行自行設定函數編程,極大縮短開發調試公式的時間[5]。此外,為便于在線診斷及實時監控,程序開發人員允許用戶在硬件連接運行時保持數據的在線修改功能,同時以圖形、文本形式記錄并存儲修改數據的變化內容。如圖6所示,當指令程序實現開始后,會出現延遲5S的保護開機,進而依次顯示初始化程序、系統的管理狀態、電機管理程序,直到啟動設備運行狀態的判斷處理這一程序欄。

圖6 主程序控制系統啟動設計

3.5.2 子程序控制設計

系統子程序的軟件設計主要通過發送和接收PDO映射管理,以讀取各項設備的運行參數,當程序啟動后,依次對警報控制器、通信模塊、系統電壓、瓦斯監測等信號的輸入與輸出進行檢測讀取,并將運行狀態的檢測結果顯示在監測屏幕上。子程序控制系統啟動設計如圖7所示。

圖7 子程序控制系統啟動設計

4 改造效果應用分析

為驗證系統改造后的應用效果,對安裝新型電控系統的綜掘機進行生產實踐論證,經過運行參數的采集對比,以及實際測試如圖8所示。

圖8 EBZ260綜掘機運行參數顯示面板

對綜掘機運行中的三相電流、進載電壓、油溫、油位等參數進行檢測,未發現明顯波動異常,整體穩定性、可靠性較高,能夠滿足掘進需要。

當出現異常故障時,系統可以自動調整至故障界面,并在顯示屏上以特定信號或文字形式顯示故障點以及合理的處理方式。尤其針對油泵電機、截割電機、轉載機二運電機、皮帶減速電機等設備出現異常故障跳電時,也會快速做出反應,及時反饋電機的故障原因,便于提高檢修效率。

升級系統后還支持故障界面的歷史數據查詢,最多可記錄故障信息40條左右,便于讀取分析故障類型和發生概率,從而提高設備檢修維護的重點,已處理完成的故障辨識為綠色,待處理和未完成故障顯示紅色。

升級系統后還可將綜掘機的運行參數與終端相連接,導出相關參數進行系統性分析研究,找出故障規律,提高檢修效率,從而不斷完善系統,實現設備的改造升級。

5 結語

在現有EBZ260型綜掘機電控系統的基礎上進行改造升級,重新整理設計架構,以DCF-1型控制器為藍本,采用CANOpen總線系統設計使得硬件設施運行更加流暢可靠,在軟件設計方面,采用PROSYD 1131軟件實現了良好的人機互動效果,界面設計更加簡潔,自動化控制程度更高,在對設備運行狀態的各項參數檢測環節中,能夠更快速識別故障點,提供最優解決方案,提高設備運行的穩定性和可靠性。