王青松
(山西晉煤集團 陽城晉圣上孔煤業(yè)有限公司, 山西 晉城 048100)
綜采工作面的采煤機在工作時,需要在刮板輸送機上循環(huán)往復運動。由于采煤機上電動機需要連接電纜為其供電。其連接采煤機電纜的長度會隨時發(fā)生變化,采煤機在機頭位置時,電纜長度最短,隨著采煤機的運動,電纜的長度會慢慢變長,直至采煤機運行到機尾位置,電纜長度達到最長。采煤機回程時,電纜長度會慢慢變短,直至采煤機運行到機頭位置,電纜長度達到最短[1]。因此,在采煤機的一個往復運動中,電纜長度由短變長,進而又由長變短。在采煤機工作中,電纜是是十分重要的輔助設備,經(jīng)常會出現(xiàn)電纜被拉斷,造成采煤機直接停機的情況。因此,電纜的有效管理成為采煤機正常工作的一個關鍵因素。為此,設計拖纜箱,控制電纜與采煤機形成速度匹配,為采煤機提供可靠電源保證。
1) 系統(tǒng)輸入電壓為AC1140/660V,拖纜箱的電動機功率為20 kW,利用變頻器對電動機進行控制,變頻器采用水冷的冷卻方式。
2) 實現(xiàn)拖纜部與采煤機的協(xié)同控制,工作時拖纜箱根據(jù)采煤機的牽引速度,實時改變電纜長度。
3) 拖纜箱裝載在綜采工作面的設備列車上,該拖纜箱應具備完善的電氣保護功能,有顯示運行參數(shù)以及故障信息的人機界面,配備TCP/IP網(wǎng)絡接口,能與煤礦井下主網(wǎng)連通,并具備無線Wi-Fi發(fā)送數(shù)據(jù)接口。
根據(jù)設計要求,綜采工作面用拖纜箱硬件設計中主要用到的電氣元器件包括斷路器、變壓器、變頻器、絕緣監(jiān)視器、PLC控制器以及顯示屏等,硬件清單如表1所示[2-3]。
表1 拖纜箱電氣系統(tǒng)硬件清單
綜采工作面用拖纜箱的硬件設計分為主回路電氣系統(tǒng)設計以及控制系統(tǒng)設計兩方面。
1) 主回路設計。主回路電氣系統(tǒng)設計原理見圖1所示。斷路器的操作方式采用手動操作方式,供電電源經(jīng)變壓器后為變頻器供電,由變頻器直接驅(qū)動電動機工作,同時采用絕緣監(jiān)視模塊監(jiān)視漏電情況。另外,在電動機上U、V、W相各安裝一個霍爾型電流傳感器,將測量的電流值輸入PLC控制器,用于對電動機進行過載、過流、粘連等保護。
2) 控制系統(tǒng)設計??刂苹芈返暮诵氖荘LC控制器以及其擴展模塊,電動機的起/停,加速、減速以及急停等操作都由PLC控制器經(jīng)過邏輯處理后驅(qū)動。PLC控制器與變頻器之間采用CAN通信進行數(shù)據(jù)傳送,并由變頻器直接驅(qū)動拖纜電動機。PLC控制器與HMI人機界面之間也采用CAN通信進行數(shù)據(jù)交互[4-5]。為保障CAN通信質(zhì)量,必須增加CAN通訊隔離柵,對CAN信號進行隔離,并采用屏蔽雙絞線,屏蔽層必須接地。為了使該電氣系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給綜采工作面集中控制中心,增加CAN轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊,將CAN通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成Wi-Fi無線信號??刂葡到y(tǒng)見圖2所示。
圖1 主回路電氣系統(tǒng)
圖2 控制系統(tǒng)框圖
拖纜箱PLC主程序流程如圖3所示。
圖3 PLC主程序流程
1) “初始化”主要完成對PLC程序中用到的變量的初始化,布爾型變量初始為False,非布爾型變量初始為0。
2) “CAN通信建立過程”主要完成PLC控制器與變頻器以及與人機界面的CAN通信的建立過程,該過程嚴格按照CAN通信協(xié)議規(guī)定的流程以及參數(shù)配置進行建立。
3) “電動機保護/起動流程”主要完成對電動機的過載、過流、粘連等保護動作以及檢測電動機起動條件,在滿足條件的情況下起動電動機。
4) “與變頻器數(shù)據(jù)處理”主要完成PLC控制器與變頻器之間的CAN通信數(shù)據(jù)、指令的交互。
5) “與人機界面數(shù)據(jù)處理”主要完成PLC控制器發(fā)送拖纜箱運行時的參數(shù)信息以及故障指示,由人機界面進行畫面顯示。
拖纜箱需保證采煤機在運行時線纜的長度保持在預期范圍內(nèi)。故在采煤機運行時,拖纜箱必須跟隨采煤機運動,即拖纜箱與采煤機的預期速度差必須保持在預期范圍內(nèi)。拖纜箱速度控制流程如圖4所示。首先設定預期速度差,同時周期性地獲取采煤機速度以及拖纜箱速度,對這兩個速度進行減法操作:如果實際速度差大于預期速度差且采煤機速度大于拖纜箱速度,則拖纜箱加速;如果實際速度差大于預期速度差且采煤機速度小于拖纜箱速度,則拖纜箱減速;如果實際速度差小于或者等于預期速度差,則拖纜箱速度保持恒定。
圖4 拖纜箱速度控制流程
拖纜箱電氣系統(tǒng)的人機界面如圖5所示,人機界面可以監(jiān)視采煤機狀態(tài),包括啟動/停止狀態(tài)、電壓值、電流值、速度,還可監(jiān)視拖纜電動機狀態(tài),包括加速、減速、速度恒定。人機界面還可顯示拖纜電機故障、通信狀態(tài)以及故障信息,便于拖纜箱出現(xiàn)故障時對故障進行及時、準確的定位。
圖5 拖纜箱電氣系統(tǒng)監(jiān)控界面
該拖纜箱電氣系統(tǒng)可以控制線纜長度與采煤機速度的匹配在合理范圍之內(nèi),不會因線纜過長或者過短而發(fā)生故障。拖纜箱電動機采用變頻控制方案,保證了線纜長度實時可調(diào)、可變。經(jīng)井下工業(yè)性試驗證明,系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定,基本滿足了設計要求。但仍存在一些問題,之后的研究中應重點關注拖纜箱與采煤機的速度精確匹配以及協(xié)同控制,以取得更好的使用效果。