高曉勇

（山西靈石華苑煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031300）

引言

在我國(guó)煤礦企業(yè)中懸臂式掘進(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用，它不僅兼有切割、運(yùn)輸和運(yùn)輸?shù)墓δ埽瑢?shí)現(xiàn)了礦井生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，而且它與錨桿鉆機(jī)搭配使用，開掘巷道與錨噴加固同時(shí)推進(jìn)，又大大減小了巷道的用工消耗和建設(shè)周期。因此，本文主要選取掘進(jìn)機(jī)作為研究對(duì)象，同時(shí)又對(duì)其電控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了著重分析。

1 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦常用掘進(jìn)機(jī)主要由主回路、控制電源、控制回路和保護(hù)電路四部分組成，具體如圖1 所示。

主回路主要是由隔離開關(guān)、真空接觸器、阻容吸收電路和電路互感器組成的。它主要是在通電后通過(guò)控制真空接觸器來(lái)使油泵（KM1）、截割（KM2）、二運(yùn)（KM3）和風(fēng)機(jī)電機(jī)（KM4）來(lái)正常工作的?？刂齐娫粗饕獮殡娍叵到y(tǒng)提供匹配的工作電壓，其組成部件主要包括電源組件、斷路器及繼電器等?？刂苹芈返暮诵慕M件是可編程控制器（即PLC），它通過(guò)通信組件接收來(lái)自于操作端的信號(hào)輸入，然后程序運(yùn)行轉(zhuǎn)換從繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)各電機(jī)的開啟和終止。另外，PLC 組件還會(huì)接收來(lái)自礦井內(nèi)各類傳感器反饋的數(shù)據(jù)，如瓦斯傳感器、電機(jī)溫度傳感器、漏電檢測(cè)器等等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的耦合處理，并做出最優(yōu)選。保護(hù)回路的作用是當(dāng)各類傳感器反饋的信息超出系統(tǒng)設(shè)定的正常范圍時(shí)所做出的保護(hù)性措施，它主要是由電流互感器（監(jiān)測(cè)短路、斷路等）、熱敏電阻（監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度）、漏電繼電器和閉鎖檢測(cè)回路（監(jiān)測(cè)漏電情況及漏電位置）[1]。

圖1 煤礦掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的組件

2 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)可靠性的定量分析

定量分析主要是通過(guò)一些量化方法分析系統(tǒng)的可靠性參數(shù)和指標(biāo)，如利用事故樹方法，分析故障發(fā)生后各個(gè)影響因素的重要度，從而制定出相應(yīng)的控制方法；再比如蒙特卡洛法等。

2.1 解析法

解析法主要是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、元件的功能等進(jìn)行分析，研究?jī)烧咴诳煽啃缘倪壿嬯P(guān)系，進(jìn)而形成一套完備的可靠性概率模型。在這個(gè)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代和推導(dǎo)研究，進(jìn)而精確求解該模型，得出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。其中頗具代表性的方法是故障模式及后果分析法（簡(jiǎn)稱FMEA 法），該方法的主要思路是某列出某個(gè)元件可能發(fā)生的故障，然后對(duì)可能引發(fā)故障的結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，直至出現(xiàn)系統(tǒng)故障，歸納出因果關(guān)系，然后重復(fù)此步驟來(lái)分析其他元件。通過(guò)對(duì)羅列出的故障結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出可能出現(xiàn)的這些故障各自的故障率，再耦合故障修復(fù)時(shí)間、導(dǎo)致的損失等參數(shù)得出系統(tǒng)某部件的可靠性指標(biāo)。以煤礦掘進(jìn)機(jī)的電氣系統(tǒng)為例，電氣系統(tǒng)的部件主要包括PLC、各類電源、繼電器、接觸器和電機(jī)等，以這些元件為切入點(diǎn)，分析它們出現(xiàn)故障可能引起的運(yùn)算錯(cuò)誤、宕機(jī)、數(shù)據(jù)輸入不不準(zhǔn)確、傳感器失靈等等，算出以上各類故障的失效概率和造成的后果，便可得出各元件的可靠性重要度，進(jìn)而有所側(cè)重的進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2.2 蒙特卡洛法

蒙特卡洛法可以分為序貫蒙特卡洛法和非序貫蒙特卡洛法，它主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)架構(gòu)出一個(gè)虛擬系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，當(dāng)某一部件發(fā)生故障時(shí)，不需要溯回整個(gè)電氣系統(tǒng)，而是對(duì)故障次數(shù)、故障時(shí)間和修復(fù)時(shí)間進(jìn)行累加。序貫蒙特卡洛法的特點(diǎn)主要時(shí)對(duì)元件出現(xiàn)故障的時(shí)間和修復(fù)的時(shí)間進(jìn)行抽樣，也就是對(duì)元件運(yùn)行的整個(gè)狀態(tài)時(shí)間（即元件的使用壽命）進(jìn)行分析，通過(guò)橫向比較，確定各個(gè)元件故障出現(xiàn)的早晚，進(jìn)而回溯出初始故障出現(xiàn)在哪里，而不必對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢修。而非序貫蒙特卡洛法主要是對(duì)元件所處狀態(tài)的概率進(jìn)行抽樣分析，而非對(duì)其使用壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，這里選用泊松分布對(duì)元件故障率進(jìn)行分析[2]。

某元件發(fā)生m 次故障的概率P（m）符合泊松分布：

式中：λ 為故障率，當(dāng)元件的壽命符合泊松分布時(shí)，則λ 為一個(gè)常數(shù)。這里抽取0～1 之間的某個(gè)均勻分布的隨機(jī)數(shù)β，則判斷元件年故障次數(shù)的公式如下：

3 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)可靠性的定性分析

定性分析主要是利用一些非量化的形式來(lái)分析、評(píng)價(jià)設(shè)備的可靠性等，如故障模式及影響分析方法。這里主要是對(duì)煤礦掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)及組件的可靠性進(jìn)行定性分析，進(jìn)而提出合理的設(shè)計(jì)建議。系統(tǒng)的可靠性除了受設(shè)備本身的質(zhì)量影響之外，還受到工作環(huán)境以及相關(guān)人員素質(zhì)的影響。這里主要從系統(tǒng)安全性、PLC 可靠性、電磁抗干擾性和環(huán)境適應(yīng)性四個(gè)方面進(jìn)行分析，并提出設(shè)計(jì)建議。

3.1 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)分析

電控系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)的重要組成系統(tǒng)，而操作箱又是掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的起點(diǎn)，考慮到煤礦環(huán)境中存在有瓦斯、煤塵和粉塵這些易爆物質(zhì)，所以操作性的防爆措施至關(guān)重要，因此防爆處理便是系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計(jì)的第一環(huán)；誤操作的保護(hù)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，作為命令的發(fā)起者，牽一發(fā)而動(dòng)全身，要保證操作命令輸入的正確性，可以在軟件上設(shè)計(jì)邏輯檢查功能，或者操作的二次確認(rèn)功能，確保無(wú)誤操作，同時(shí)也應(yīng)設(shè)計(jì)緊急停止功能，使誤操作萬(wàn)一發(fā)生時(shí)可以立刻停止錯(cuò)誤指令，減小損失，因此誤操作設(shè)計(jì)及急停設(shè)計(jì)是系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計(jì)的第二環(huán)；操作箱存在用電行為，就必須保證電氣安全，在用電過(guò)程中，短路和斷路現(xiàn)象都會(huì)引起極大的隱患，短路現(xiàn)象會(huì)引起局部電線或部件過(guò)熱，從而引發(fā)電氣火災(zāi)。斷電現(xiàn)象則會(huì)引起某個(gè)部件停止工作，如熱敏傳感器或者瓦斯傳感器因局部斷電而失去功能，也將威脅到生產(chǎn)安全，因此過(guò)電保護(hù)功能的設(shè)計(jì)便屬于第三環(huán)。

3.2 PLC 可靠性設(shè)計(jì)分析

PLC 作為掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)各類接觸器、繼電器和傳感器信號(hào)的收集與處理，并同時(shí)向上做出反饋。對(duì)于PLC 可靠性的設(shè)計(jì)主要是確保其作為系統(tǒng)中樞可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)及正確處理信息，一是其程序可靠性的設(shè)計(jì)，要結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其制作工藝及軟件性能進(jìn)行同步升級(jí)，PLC 所選用的主控器為PLVC4，它主要運(yùn)營(yíng)STL 進(jìn)行編程，因此要保證其程序設(shè)計(jì)符合礦井生產(chǎn)實(shí)際，保證其在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理這三個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，從而更好地做出反饋；二是其故障應(yīng)對(duì)可靠性設(shè)計(jì)，主要是在停電、電路異常和恢復(fù)供電重啟等情況下的可靠性要求。在這些情況下，就要求PLC 可以及時(shí)記錄故障情況、故障的診斷及設(shè)備的運(yùn)行階段等。

3.3 電磁抗干擾設(shè)計(jì)分析

電控箱把許多電子元件都集中在了一起，包括上面所述的系統(tǒng)中樞——PLC、各類傳感器、接觸器等等，這就會(huì)引發(fā)一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題——電磁場(chǎng)，眾多電子元件開始工作后，必然會(huì)因此電磁場(chǎng)的混亂，不采取相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)，會(huì)影響到各個(gè)元件的信號(hào)接收能力及精度。這里所采取的措施主要是對(duì)PLC 進(jìn)行單獨(dú)分隔，并采用獨(dú)立的輸入端口（包括模擬量端口和數(shù)字量端口），從而使得PLC 的數(shù)據(jù)接收不受到感染；同時(shí)也要對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，比如對(duì)其使用傳輸線路采用屏蔽雙絞電纜，即減少自身所受影響，也減少對(duì)PLC 的干擾[3]。

3.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)分析

掘進(jìn)機(jī)所處的工作環(huán)境十分惡劣，主要包括切割巖壁時(shí)的震動(dòng)、破碎巖石產(chǎn)生的粉塵、除塵所噴灑的水霧以及空氣流通不暢導(dǎo)致的機(jī)械發(fā)熱等，這里主要根據(jù)這幾點(diǎn)進(jìn)行可靠性分析及設(shè)計(jì)。

1）震動(dòng)，主要的措施是進(jìn)行防震設(shè)計(jì)，加裝防震裝置，同時(shí)也可以在切割部位及電控部件之間增加隔震裝置，減小震動(dòng)的傳導(dǎo)性；

2）粉塵，粉塵主要會(huì)對(duì)元器件的精度、靈活性及散熱產(chǎn)生影響，相應(yīng)的設(shè)計(jì)則是水霧降塵和重要元件的防塵處理相結(jié)合措施，從而保證元件的正常使用；

3）水霧，水霧對(duì)于電子元件的影響極大，首先是濕度增加會(huì)影響電子元件的靈敏度，使得所采集的數(shù)據(jù)有偏差；其次是水霧與粉塵的結(jié)合對(duì)于元件本身具有一定的腐蝕性，因此需要采取作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的除濕和電子元件隔水相結(jié)合的措施；

4）散熱，掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境處于地下，對(duì)于埋深較深以及溫度較高的工作面，使得掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不易散出，進(jìn)而會(huì)影響到線路的安全及元件的精度，因此要對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控箱內(nèi)進(jìn)行散熱和降溫設(shè)計(jì)[4]。

4 結(jié)論

通過(guò)定量和定性分析，提出在系統(tǒng)安全性、PLC可靠性、電磁抗干擾性和環(huán)境適應(yīng)性四個(gè)方面的具體建議，對(duì)于進(jìn)一步增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。