夏 楠

0 引言

大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)公司8132 綜采工作面采用上海創(chuàng)力公司MG400/930-WD 型采煤機(jī)。2013 年1 月12 日采煤機(jī)滑靴被工作面刮板輸送機(jī)啞鈴銷卡住，采煤機(jī)保護(hù)系統(tǒng)做急停動(dòng)作，但造成了采煤機(jī)滑靴、工作面刮板輸送機(jī)啞鈴銷的機(jī)械性損壞。該故障是安全生產(chǎn)的重大隱患，如再度發(fā)生，很可能會對傳動(dòng)部件、行走部件甚至牽引電機(jī)造成損壞。

在采煤機(jī)牽引設(shè)施強(qiáng)機(jī)械性堵轉(zhuǎn)情況下采煤機(jī)做急停動(dòng)作有以下不足：①采煤機(jī)司機(jī)容易將采煤機(jī)的急停動(dòng)作誤認(rèn)為是突然斷電，不做任何處理；②重新送電后如果沒有發(fā)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)故障繼續(xù)按原方向運(yùn)行，容易造成設(shè)備的二次破壞；③急停動(dòng)作以后，采煤機(jī)滾筒仍然保持截煤狀態(tài)，重新啟動(dòng)時(shí)截割電機(jī)啟動(dòng)負(fù)載較大，有可能造成截割電機(jī)的損壞。因此，提出采煤機(jī)牽引過載時(shí)自動(dòng)帶速度反牽引的設(shè)計(jì)目標(biāo)。反牽引保護(hù)就是在保護(hù)動(dòng)作時(shí)自動(dòng)改變牽引的方向，讓采煤機(jī)退出絆卡地段的一種保護(hù)。這種方式解決了原急停保護(hù)的不足之處。

1 反牽引保護(hù)可行性分析

1.1 反牽引后采煤機(jī)運(yùn)行方向是否暢通

按現(xiàn)行的割煤工藝，采煤機(jī)行走方向后面的工作面刮板輸送機(jī)一般是推成直線的，即反牽引后采煤機(jī)行走路線暢通。

1.2 反牽引保護(hù)動(dòng)作后采煤機(jī)滾筒可否割到支架前探梁

按現(xiàn)行的采煤工藝，前滾筒割頂煤、后滾筒割底煤，滯后后滾筒3～5 架支架跟架。工作面高度為3.2 m～3.4 m，滾筒直徑為2 m。所以，當(dāng)采煤機(jī)做反牽引保護(hù)動(dòng)作后，后滾筒無割到支架前探梁的危險(xiǎn)，前滾筒距離支架前探梁6～8 架支架的距離，即9 m～12 m。采煤機(jī)牽引速度最快為12.26 m/min，所以反牽引動(dòng)作后有1 min 左右的時(shí)間供機(jī)組司機(jī)手動(dòng)停止采煤機(jī)，查詢故障。

對于頂板破碎等特殊情況要求及時(shí)跟架，前滾筒距最近的支架前梁在5 m 以內(nèi)時(shí)，需制定安全技術(shù)措施，控制采煤機(jī)牽引速度在5 m/min 以內(nèi)，確保采煤機(jī)發(fā)生反牽引動(dòng)作后采煤機(jī)司機(jī)有足夠的時(shí)間手動(dòng)停止采煤機(jī)，查詢故障。

根據(jù)上述分析認(rèn)為，采煤機(jī)牽引設(shè)施強(qiáng)機(jī)械性堵轉(zhuǎn)情況下，自動(dòng)帶速度反牽引保護(hù)效果優(yōu)于急停。

2 上海創(chuàng)力MG400/930-WD 型采煤機(jī)原有保護(hù)系統(tǒng)

上海創(chuàng)力MG400/930-WD 型采煤機(jī)自帶反牽引機(jī)制，但是其反牽引動(dòng)作是在截割電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載時(shí)才會被觸發(fā)，而牽引嚴(yán)重過載時(shí)的保護(hù)動(dòng)作是急停。

2.1 反牽機(jī)制

重載反牽引功能的設(shè)置是避免采煤機(jī)嚴(yán)重過載。當(dāng)任一截割電動(dòng)機(jī)負(fù)荷大于1.3Pe時(shí)，通過PLC 的反牽定時(shí)電路使采煤機(jī)以給定速度反牽引一段時(shí)間后再繼續(xù)向前牽引，原理見圖1。

圖1 原截割電流信號

由圖1 可見，兩截割電機(jī)的電流取樣信號依次經(jīng)過或門、比較器、10 s 脈沖，最終的響應(yīng)為牽引換向。截割電機(jī)的電流取樣信號由檢測2 臺截割電機(jī)單相電流的電流互感器提供，經(jīng)電流互感器處理后的取樣信號為4 mA～20 mA 的電流信號?；蜷T的意思是兩者任意一個(gè)為真，結(jié)果即真。比較器是將其取樣電流與額定電流比較，當(dāng)比較結(jié)果符合對應(yīng)條件時(shí)有對應(yīng)輸出。也就是在圖1 中，只要左右截割電機(jī)取樣電流信號中有任意一個(gè)信號大于等于130%即可有牽引換向的輸出。10 s 脈沖是，每隔10 s 刷新一次，滿足前面條件即向后輸出，最終導(dǎo)致牽引換向。因?yàn)樗俣刃盘柵c牽引方向信號相互獨(dú)立，所以該保護(hù)實(shí)現(xiàn)了帶速度反牽引。

另外，比較器中的截割電流信號小于等于90%、在90%和110%之間以及大于等于110%的動(dòng)作為采煤機(jī)恒功率自動(dòng)控制，與本設(shè)計(jì)無關(guān)，故圖1 中沒有畫出。

2.2 牽引電動(dòng)機(jī)負(fù)荷控制

PLC 采集2 個(gè)與變頻器輸出電流成正比的模擬信號作為左、右牽引電動(dòng)機(jī)的電流進(jìn)行比較，得到欠載、超載信號。當(dāng)2 臺電動(dòng)機(jī)都欠載（I≤0.9Ie）時(shí)發(fā)出加速信號，牽引速度增加（最大至給定速度）；當(dāng)任一臺電動(dòng)機(jī)超載（I>Ie）時(shí)發(fā)出減速信號，直到電動(dòng)機(jī)退出超載區(qū)域。當(dāng)任一臺電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重超載（I>1.5Ie）時(shí)發(fā)出故障急停信號，使采煤機(jī)斷電急停。急停部分原理見圖2。

圖2 原牽引電流信號

由圖2 可見，兩牽引電機(jī)的電流取樣信號依次經(jīng)過或門、比較器、或門，最終的響應(yīng)為PLC 急停。牽引電機(jī)的電流取樣信號由PLC 從與變頻器的輸出成正比的模擬信號中采集?；蜷T的意思也是兩者任意一個(gè)為真，結(jié)果即真。比較器是將其取樣電流與額定電流比較，當(dāng)比較結(jié)果符合對應(yīng)條件時(shí)有對應(yīng)輸出。也就是圖2 中只要左右牽引電機(jī)取樣電流信號中有任意一個(gè)信號大于等于150%即向下一個(gè)或門輸出信號。任意一個(gè)經(jīng)過該或門的信號都可以使PLC 做急停響應(yīng)。其他急停信號為：端頭控制站急停、遙控急停、瓦斯斷電儀急停。也就是說，包括牽引過載150%在內(nèi)的4 個(gè)急停信號中的任意一個(gè)信號動(dòng)作都可以導(dǎo)致采煤機(jī)斷電急停。

另外，比較器中的牽引電流信號小于等于90%、在90%和110%之間以及大于等于110%的動(dòng)作與牽引自動(dòng)控制功能有關(guān)，不影響本設(shè)計(jì)，故圖2 中沒有畫出。

3 系統(tǒng)改造

3.1 改造設(shè)計(jì)原理

保留原截割電機(jī)電流過載、牽引反牽系統(tǒng)，將牽引電流的嚴(yán)重超載保護(hù)改成反牽引，改造設(shè)計(jì)原理見圖3。

圖3 改造后的電流信號

圖3 前半部分與圖1 一致。將牽引過流1.5 倍的信號經(jīng)一個(gè)0.1 s（為保證牽引嚴(yán)重超載時(shí)可以迅速動(dòng)作）的脈沖信號傳遞至一或門，經(jīng)該或門與截割電流過載1.3 倍信號一起可使?fàn)恳龘Q向?；蜷T的作用依然是任意一個(gè)信號動(dòng)作都能導(dǎo)致牽引換向。引入這個(gè)或門，既保留了原來的截割過載反牽，又增加了牽引過載反牽引的功能。同樣，因?yàn)樗俣刃盘柵c牽引方向信號相互獨(dú)立，所以實(shí)現(xiàn)了帶速度反牽引。

3.2 電氣設(shè)計(jì)

在確立了以上的改造方案后，把上節(jié)中的原理模型還原到實(shí)際接線中去。由于截割電機(jī)電流信號部分沒有改造，所以只看牽引電流信號部分。

與截割電機(jī)取樣信號取自電流互感器不同，2 個(gè)牽引電機(jī)的電流取樣信號直接由變頻器提供。變頻器的AM、AC 兩點(diǎn)間的4 mA～20 mA 電流，即1BP.13（一號變頻器13 號點(diǎn)，后面3 個(gè)以此類推）、1BP.12，2BP.13、2BP.12 為二號牽引電機(jī)的取樣電流信號。

以上2 組電流信號經(jīng)4 組接線排接線后最終傳遞至PLC 的模擬量輸入模塊SM3 上的4 個(gè)接點(diǎn)，即SM3.6、SM3.7、SM3.8、SM3.9。而牽引換向則是由PLC 的開關(guān)量輸入模塊中的SM1.5、SM1.6 以及他們所控制的開關(guān)量輸出模塊中的SM2.2、SM2.3 來控制，見圖4。

圖4 輸入輸出示意

為了敘述方便，先看牽引換向是如何實(shí)現(xiàn)的。在原控制系統(tǒng)中，SM1.5 使SM2.2 動(dòng)作，SM1.6 使SM2.3 動(dòng)作。而當(dāng)牽引換向時(shí)，SM1.5 使SM2.3 動(dòng)作，SM1.6 使SM2.2 動(dòng)作。即開關(guān)輸入端的“向左”控制開關(guān)量輸出端的“向右”，開關(guān)量輸入端的“向右”控制開關(guān)量輸出端的“向左”。引入一個(gè)中間繼電器M（0，0），其控制梯形圖見圖5。

圖5 牽引換向控制示意

由圖5 可以看到，開關(guān)量輸入點(diǎn)SM1.5 的常開觸點(diǎn)經(jīng)過中間繼電器M（0，0）的常閉觸點(diǎn)與開關(guān)量輸出點(diǎn)SM2.2 的線圈相連，經(jīng)過中間繼電器M（0，0）的常開觸點(diǎn)與開關(guān)量輸出點(diǎn)SM2.3 的線圈相連。所以，中間繼電器M（0，0）不動(dòng)作時(shí)SM1.5 控 制SM2.2，中間繼電器M（0，0）動(dòng)作時(shí)SM1.5 控制SM2.3。SM1.6 的控制與其原理相同。也就是說，引入了中間繼電器M（0，0）以后，當(dāng)需要牽引反牽時(shí)，只要讓中間繼電器動(dòng)作即可。

現(xiàn)在問題已轉(zhuǎn)化為當(dāng)左右牽引電機(jī)的任一牽引電流信號在大于額定電流150%時(shí)，讓中間繼電器M（0，0）動(dòng)作。其原理見圖6。

圖6 中間繼電器動(dòng)作條件

4 模擬實(shí)驗(yàn)

將一臺牽引電機(jī)的負(fù)荷線甩開，彼此絕緣放置好，另一臺牽引電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。取甩開的負(fù)荷線中的任意2 相接在阻抗為3 Ω 的電抗器的兩端。此時(shí)流過這2 相的電流為額定電流的1.75 倍。采煤機(jī)做反牽引動(dòng)作，另一牽引電機(jī)反轉(zhuǎn)。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)成功完成了牽引嚴(yán)重過載采煤機(jī)自動(dòng)帶速度反牽引的保護(hù)功能。

5 結(jié)語

上海創(chuàng)力MG400/930-WD 型采煤機(jī)牽引過載自動(dòng)帶速度反牽引設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對采煤機(jī)牽引部意外絆卡等原因造成的機(jī)械性堵轉(zhuǎn)的保護(hù)，有效避免了事故的擴(kuò)大，達(dá)到了對牽引電機(jī)、傳動(dòng)部件、行走部件的保護(hù)，大大減少了采煤機(jī)的事故率，提高了開機(jī)率，為安全生產(chǎn)提供了有效保障。

該設(shè)計(jì)有一些不足之處，如反牽引動(dòng)作后采煤機(jī)無對應(yīng)的提示和報(bào)警功能，有待進(jìn)一步完善。