劉 偉

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電公司小峪煤礦，山西 朔州 038300）

引言

煤炭資源需求隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展日益增多，采煤工作量逐年增加，極大地推動(dòng)了采煤事業(yè)的發(fā)展，尤其是機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化必將成為煤炭采掘行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。掘進(jìn)機(jī)作為煤炭采掘工作的重要設(shè)備之一，其工作性能的好壞不僅關(guān)系煤炭掘進(jìn)的安全性，還與煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了廣泛關(guān)注[3-4]?？刂葡到y(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，相較于普通裝置而言，其服役環(huán)境較為惡劣，如水霧、粉塵、煤層等，經(jīng)常出現(xiàn)控制故障，降低掘進(jìn)機(jī)工作效率，增加運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，限制了煤炭企業(yè)的掘進(jìn)效率和產(chǎn)量[5-6]。針對(duì)某煤炭企業(yè)對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)提出的新要求，開展了更合理、更可靠電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作與應(yīng)用工作具有重要意義。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)原有電控系統(tǒng)的實(shí)際情況，提出了新設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)的具體要求，第一是控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)接收掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)且可以根據(jù)需要對(duì)其發(fā)送控制指令；第二是能夠自主根據(jù)采集得到的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及環(huán)境因素參數(shù)進(jìn)行邏輯分析處理，判斷掘進(jìn)機(jī)是否正常工作；第三是一旦發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)故障能夠及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警，包括漏電斷電、警鈴、故障位置及處理策略等；第四是電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2 電控系統(tǒng)方案

根據(jù)煤炭企業(yè)對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)提出的新要求，完成了掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，如圖1所示?？刂破髯鳛榫蜻M(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的處理、故障預(yù)警等功能，通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。控制器輸入信息來源于操作箱按鈕、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)、各類環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、電控回路等，輸出信號(hào)涉及電機(jī)的啟停及漏電保護(hù)、故障預(yù)警、照明開閉等。電控系統(tǒng)通過檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，如油泵電機(jī)啟停、截割高速和低速的切換、運(yùn)輸機(jī)啟停、風(fēng)機(jī)啟停、電機(jī)保護(hù)、故障預(yù)警等。

圖1 電控系統(tǒng)方案

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 控制器的選型

掘進(jìn)機(jī)工作于煤礦巷道之中，工作環(huán)境惡劣，如高濕度、粉塵、腐蝕氣體等，因此對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)組件的環(huán)境適應(yīng)性要求較高。同時(shí)，截割時(shí)煤巖臂的反作用力會(huì)增加機(jī)身的振動(dòng)，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)載荷波動(dòng)較為劇烈。另外，煤礦井下電網(wǎng)質(zhì)量較差，運(yùn)行時(shí)存在大負(fù)荷和高用電量時(shí)電壓波動(dòng)大的問題，出現(xiàn)故障時(shí)維修操作空間小、勞動(dòng)工作量大，排除故障需要較長(zhǎng)的時(shí)間。因此設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)時(shí)所選的電控系統(tǒng)元器件需要具有防護(hù)等級(jí)高、抗震性強(qiáng)、低故障率等特點(diǎn)，傳統(tǒng)PLC 明顯不能適應(yīng)上述應(yīng)用產(chǎn)所，故選擇了Inter Control 廠家的DCF-I 控制器作為控制核心。

3.1.2 主回路設(shè)計(jì)

主回路設(shè)計(jì)采用隔離換向開關(guān)，配置一組450A熔斷器用于短路保護(hù)，控制回路中使用交流真空接觸器，設(shè)置五組量程不同電流變送器完成保護(hù)電路的信號(hào)采集。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)各個(gè)電機(jī)回路參數(shù)及高低速控制要求，確定了總回路的額定電流為291.5 A?；诖送瓿芍麟娐冯姎庠倪x擇，隔離換向開關(guān)型號(hào)為OT400E12，熔斷器型號(hào)為3NE3233，交流真空接觸器型號(hào)為CKJ5-250，電流變送器型號(hào)為CS50-1500/10VDC，電流變送器型號(hào)為CS50-1000/10VDC，電流變送器型號(hào)為CS50-100/10VDC。

3.1.3 保護(hù)單元

保護(hù)單元涉及漏電檢測(cè)、電壓電流傳感器、油溫油位傳感器、瓦斯氣體傳感器等功能，監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)工作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，立即啟動(dòng)故障預(yù)警。根據(jù)電控系統(tǒng)需求完成了相關(guān)電氣元件的選型，通訊模塊型號(hào)為750-337，模擬量模塊型號(hào)為750-459，溫度采集模塊型號(hào)為750-460，終端模塊型號(hào)為750-600，絕緣監(jiān)視儀型號(hào)為IR420-D6-1，耦合儀型號(hào)為AGH520S，絕緣監(jiān)視儀型號(hào)為IR420-D4-1，電壓變送器型號(hào)為PAS-UG1-2000，油溫傳感器型號(hào)為KG3044，油位傳感器型號(hào)為GUY10，甲烷傳感器型號(hào)為GJC4。

3.1.4 控制電源

掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)配置的電源涉及控制變壓器、本安直流電源1 個(gè)，非本安直流電源2 個(gè)，高壓熔斷器1 個(gè)和空氣斷路器3 個(gè)。變壓器輸入電壓為1 140（660）V，輸出電壓分別為110 V、127 V、220 V。本安電源選擇110 V 線路供電，照明和報(bào)警選擇127 V線路供電，其他電氣元件由220 V 線路取電。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序

掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)主程序流程如圖2 所示，涉及開機(jī)延時(shí)、程序初始化、系統(tǒng)狀態(tài)管理、電機(jī)程序管理、運(yùn)行狀態(tài)判斷處理程序等，其主要作用是在延遲等待其他通訊器件啟動(dòng)完成后，完成各個(gè)大的子程序的調(diào)用。

圖2 電控系統(tǒng)主程序流程

3.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序

系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序的作用是完成核心控制器中I/O 轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行初始化處理，實(shí)現(xiàn)外部I/O 和內(nèi)部控制完成映射，完成掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)與管理。其主要包括故障預(yù)警、控制器輸入輸出狀態(tài)和系統(tǒng)程序變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要指監(jiān)測(cè)電壓電流數(shù)值與物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2.3 運(yùn)行狀態(tài)判斷處理子程序

電控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷與處理程序流程如圖3所示，是掘進(jìn)機(jī)邏輯控制功能實(shí)現(xiàn)的核心，其作用是依據(jù)電控系統(tǒng)中采集得到掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境因素、操作控制指令等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通常數(shù)據(jù)處理和分析，判斷掘進(jìn)機(jī)是否工作正常，并經(jīng)工作情況顯示于系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警，提示故障出現(xiàn)的位置及修復(fù)策略，提高電控系統(tǒng)故障排查效率，提高掘進(jìn)機(jī)的有效工作時(shí)間。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)判斷處理子程序流程

3.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面用于顯示井下掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，讓掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控人員實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)機(jī)的工作狀況，并且監(jiān)控人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢(shì)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控指令的控制，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制的目的。如圖4 給出了掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)主工作界面，實(shí)時(shí)顯示了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、電流、溫度、油溫、油位、進(jìn)線電壓等參數(shù)。一旦掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信息，提示故障問題及位置，指導(dǎo)監(jiān)控人員及時(shí)調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)維人員進(jìn)行系統(tǒng)故障排查與修復(fù)，保證系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)至工作狀態(tài)，保證掘進(jìn)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 電控系統(tǒng)主工作界面

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性，將其應(yīng)用于服役中的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和故障報(bào)警等功能要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于原掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)，新電控系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了電控系統(tǒng)近10%的故障排查時(shí)間，節(jié)約了2～3 名系統(tǒng)運(yùn)維人員，提高了近5%煤礦井下各采煤設(shè)備利用率，降低了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近60 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。