鄔 瑞

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030053)

0 引 言

煤炭開采量逐漸加大，對(duì)我國(guó)煤炭資源開采設(shè)備的機(jī)械化水平提出了更高要求。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是巷道掘進(jìn)的重要設(shè)備，礦井掘進(jìn)過程中工作環(huán)境惡劣，粉塵及水霧多，掘進(jìn)機(jī)存在截割質(zhì)量差、工作強(qiáng)度高、截割效率低等問題。此前眾多學(xué)者對(duì)煤礦掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、影響電控系統(tǒng)可靠性因素進(jìn)行了介紹及研究，通過定性和定量分析，從系統(tǒng)安全性、PLC可靠性、電磁抗干擾性和環(huán)境適應(yīng)性等方面對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)可靠性提出了具體建議[1]。筆者以杜兒坪礦為研究背景，以西安煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的EBZ260型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，為巷道掘進(jìn)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考，為礦井高效生產(chǎn)提供一定的保障。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

懸臂式掘進(jìn)機(jī)常用于煤巷、全巖巷及半煤巖巷道，設(shè)備主要由電控系統(tǒng)、機(jī)架結(jié)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。掘進(jìn)機(jī)的單向截割強(qiáng)度最大值為90 MPa。巷道最大值為6.3 m，最大高度為5.2 m，最大掘進(jìn)斷面尺寸為31 m2，掘進(jìn)機(jī)最大坡度為18°。懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)即掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)，是保證掘進(jìn)機(jī)正常工作的關(guān)鍵。傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)可靠性差、故障監(jiān)測(cè)功能薄弱、難以對(duì)電機(jī)過載、過壓、過流等故障進(jìn)行有效防護(hù)，以PLC可編程控制器為核心的懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)故障管理、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)接收、故障響應(yīng)等功能[2]。要滿足和達(dá)到提升掘進(jìn)機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

電控系統(tǒng)根據(jù)上述功能對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)整體框架圖如圖1所示。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器選型

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)核心為高性能控制器，需要對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)接收故障信息進(jìn)行識(shí)別，并完成相應(yīng)的指示指令。

首先對(duì)電控系統(tǒng)的控制器進(jìn)行選型，根據(jù)杜兒坪礦實(shí)際工作情況，考慮到礦井空氣濕度大、電網(wǎng)質(zhì)量差等情況，選定Inter Control廠家生產(chǎn)的DCF-I控制器，DCF-I控制器主要是由兩個(gè)部分組成，分別為中央處理器CPU和I/O端，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求可進(jìn)行接口擴(kuò)展。控制器需要配置3個(gè)CAN總線通訊接口，2個(gè)RS232接口，18路開關(guān)量輸入接口和8路開關(guān)量輸出接口[3]。

EBZ260掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)參數(shù)為：截割電機(jī)額定功率為260/200 kW，電機(jī)的額定電壓電壓分別為1140 V和160 A，油泵電機(jī)的額定功率為160 kW，電機(jī)額定電壓及電流為1140 V和97 A，二運(yùn)電機(jī)額定功率為15 kW，額定的電壓和電流分別為1140 V和10 A，除塵電機(jī)額定功率為37 kW，額定的電壓和電流分別為1140 V和24.5 A，通過計(jì)算閉合回路的額定電流為291.5A?；芈返母綦x開關(guān)選定為OT400E12，該隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性高、體積小，可以較好的滿足井下的工作環(huán)境。電流變送器選定CS50系列三相電流變送器[4]。

保護(hù)單元主要由耦合器、電壓變送器、分布式I/O模塊等組成。其中分布式I/O選用Pt100溫度傳感器采集溫度信息，CAN總線將采集的信息傳送至控制器。對(duì)保護(hù)單元的元件進(jìn)行選擇，元件選型如表1所列。

表1 保護(hù)單元器件選型

控制單元器件選型如表2所列。

表2 控制單元器件選型

2.2 顯示單元選型

控制器如上述，在選定中間繼電器時(shí)，考慮實(shí)際工作需求選定PLC-RSP-24DC/21。CAN光隔離中繼擁有兩個(gè)功能：一是將信號(hào)放大，二是隔離CAN信號(hào)，CAN線路通訊距離較大，CAN光隔離中繼依舊可以處理，同時(shí)該系統(tǒng)內(nèi)部選定抗靜電及雷電的芯片，能夠保證元件在惡劣工況下的運(yùn)行。顯示元件選型主要器件如表3所列。

表3 顯示單元器件選型

CANOpenI/O-X2具備體積小、經(jīng)濟(jì)、高精度的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，模塊含有一個(gè)CPU核心，利用配套的編程固件，實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的輸出與輸入，同時(shí)該元件具備很高的安全性及自我診斷程序。顯示屏選定CZ10液晶顯示器，CPU采用A8的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存儲(chǔ)空間為256MBFLASH+256MBDDR3，內(nèi)部運(yùn)行流暢、處理快，同時(shí)顯示器有較多的外接口，支持RS232/422/485串口，顯示器為金屬結(jié)構(gòu)，抗震、散熱性能較好，具有雙視頻輸入，分屏監(jiān)控等功能，能夠適應(yīng)礦井地質(zhì)環(huán)境[5]。

2.3 電控箱選型

完成元件設(shè)計(jì)后對(duì)硬件的安裝需要進(jìn)行確定，由于礦井工況較為復(fù)雜，所以選用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電控箱，箱體內(nèi)部分為上下兩個(gè)獨(dú)立的腔體，腔體通過防爆接線端子進(jìn)行連接，在箱體上端的為接線箱，下端的為主腔。電控箱的上腔布置有電纜接線端子及控制線接線端子，在內(nèi)部裝有真空接觸器、耦合儀、電流互感器、繼電器、接線端子、保護(hù)單元等，電控箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電控箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

操作箱同樣采用隔爆箱，操作箱與電壓箱類似，由兩個(gè)接線端子的腔體連接而成，兩個(gè)腔體分為前腔為主腔，后腔進(jìn)出線腔。進(jìn)線腔內(nèi)部布置有接線端子和內(nèi)接地端子，腔門位置布置有控制按鈕、顯示器、I/O模塊及轉(zhuǎn)化開關(guān)等。

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)電氣系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，電機(jī)狀態(tài)管理流程圖及系統(tǒng)狀態(tài)管理流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)管理流程及電機(jī)狀態(tài)管理流程圖

如圖3所示，系統(tǒng)的管理子程序?qū)刂破鱅/O進(jìn)行初始化，從而得到外部I/O及內(nèi)部控制映射，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)各部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的，子程序主要對(duì)系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)低壓漏電及工作環(huán)境瓦斯等進(jìn)行檢測(cè)，保證作業(yè)環(huán)境安全。電機(jī)的狀態(tài)管理程序主要是對(duì)電機(jī)的溫度、電流、電壓等進(jìn)行監(jiān)控，通過采集的數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行錄入，保證電機(jī)運(yùn)行安全。

4 應(yīng)用效果

所設(shè)計(jì)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的電控系統(tǒng)截割質(zhì)量較原系統(tǒng)有了明顯的提升，水平單側(cè)截割的最大偏差為60 mm,垂直單側(cè)偏差最大為40 mm，同時(shí)在正常工況下，巷道施工的標(biāo)準(zhǔn)許可誤差水平為200 mm，垂直為100 mm，可以看出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)精度完全滿足施工要求，同時(shí)截割能耗有了一定比例的降低，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)安全性、可靠性、電磁抗干擾性均有了一定的提升。通過PLC內(nèi)部編程優(yōu)化，精簡(jiǎn)了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)電復(fù)雜度。掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行物流參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)電機(jī)過壓、過載、過流實(shí)施保護(hù)，有效保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié) 語

在分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工況的基礎(chǔ)上對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出以Inter Control控制器為設(shè)計(jì)核心的電控系統(tǒng)，分別對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)單元、控制單元及顯示單元等進(jìn)行分析優(yōu)化，并給出了電控箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式及系統(tǒng)狀態(tài)管理流程圖及電機(jī)狀態(tài)管理流程圖，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，有效解決懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割質(zhì)量差、截割效率低等問題，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供一定的保障。