陜建光

（晉能控股煤業(yè)集團大西煤礦，山西 晉城 048000）

0 引言

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)著主要地位，其短時間內(nèi)難以被其他能源大規(guī)模的替代，在今后的較長時間內(nèi)煤炭仍作為我國的工業(yè)生產(chǎn)動能和人民生活用電的主要來源。因此煤炭的開采仍需要不斷地進行加強。煤礦作為煤炭開采的主要單位，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦正朝著智能化、自動化的方向發(fā)展，在煤礦開采的過程中掘進作為煤礦巷道開采的一項重要工作，傳統(tǒng)的煤礦巷道掘進需要人工進行現(xiàn)場勘察和實時監(jiān)測，巷道開采質(zhì)量受到人為的因素比較大，并且人工監(jiān)測的過程中危險系數(shù)比較大、工作量也比較大，因此需要加強對煤礦巷道掘進技術(shù)的進一步研究。目前煤礦巷道掘進大多數(shù)采用的是懸臂式掘進機，懸臂式掘進機相對于人工來說在技術(shù)和效率方面得到了很大的提升，但是在安全性和可靠性方面仍存在著一定的欠缺，需要對掘進機進行進一步的深化研究，尤其是掘進機智能控制方面需要加強，以提高掘進機的智能化程度，提高綜采工作面的開采效率，增強其安全性，降低人工勞動成本，促進智慧礦山的建設(shè)[1]。

1 掘進機概述

目前我國使用的懸臂式掘進機比較多，其實現(xiàn)了截割、行走、裝載運輸、除塵等多功能于一體的大型自動化設(shè)備。懸臂式掘進機綜合了電氣、機械、自動化以及智能化的多項技術(shù)，徹底改變了爆破式掘進危險系數(shù)高的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，懸臂式掘進機由原先的工作人員手動操作變成了自動化操作，大大減少了煤礦井下工作人員的數(shù)量，提高了掘進效率。懸臂式掘進機的組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其主要由截割系統(tǒng)、鏟板系統(tǒng)、行走部分、機架以及電氣部分組成的。截割部分是掘進機的主要工作部件，截割頭是掘進機的工作裝置，掘進機的機械部分將動力傳遞到截割頭部位，截割頭的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了對巷道的掘進工作。行走部分是完成掘進機的位置移動功能。裝載運輸部分是將截割頭截割下的物料進行裝載，利用后續(xù)的刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機以及帶式輸送機將物料運輸至井上。除塵功能是為了改善掘進機在煤礦井下掘進過程中惡劣的工作環(huán)境，降低掘進造成的揚塵，保障工作環(huán)境的安全[2]。

2 智能化掘進機電控系統(tǒng)總體設(shè)計要求

掘進機在實際運行過程中其需要人工進行現(xiàn)場實施監(jiān)控，增加了作業(yè)的危險系數(shù)，因此需要對掘進機進行智能化改造。智能化掘進機在功能方面需要具備有以下功能：

1）安全啟動操作要求。當掘進機接受到來自遙控器或者是本安操作盒的啟動指令時，其需要執(zhí)啟動操作，但是其應(yīng)具備有閉鎖功能：油泵電機必須作為第一啟動作業(yè)；截割頭的高速和低速能夠?qū)崿F(xiàn)互鎖保護，兩者的接觸器不能同時閉合。

2）狀態(tài)監(jiān)測及保護。掘進機在實際運行過程中，其電氣系統(tǒng)需要運行電壓、溫度、瓦斯?jié)舛鹊冗M行實時監(jiān)測，并且需要具備有報警功能。當掘進機的相關(guān)參數(shù)與預先設(shè)定參數(shù)不同時，報警裝置能夠及時的進行警示且自動切斷電源，將故障原因進行顯示。

3）可視化顯示及遠程通信功能。智能化掘進機的各個模塊的參數(shù)以及監(jiān)測到的參數(shù)要在相關(guān)信息界面進行顯示，煤礦工作人員能夠及時的在界面上看到其運行狀態(tài)信息，及時作為響應(yīng)。遠程通信是智能化掘進機監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)要利用光纖等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相應(yīng)平臺，實現(xiàn)信息交互。

3 智能化掘進機電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能化掘進機電控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計主要是對其主回路硬件、傳感器硬件、控制模塊以及遠程通訊系統(tǒng)進行設(shè)計。

3.1 主回路硬件選型及設(shè)計

智能掘進機主回路需要控制的有截割電機、油泵電機、二運電機以及除塵電機。智能掘進機需要對這四種電機進行配電和保護。在其主回路設(shè)計中設(shè)計有隔離開關(guān)1 個，交流真空接觸器5 個，控制變壓器1個以及五路三相電流互感器等。隔離開關(guān)完成切電源的工作，交流真空接觸器用來實現(xiàn)四種電機的啟停[3]。由于煤礦井下有1140 V 和660 V 兩種電壓值，因此控制變壓器需要滿足兩種電壓的屬兔，利用其二次側(cè)的AC220 作為控制回路以及其他模塊的電源供應(yīng)。三相電流互感器是為了對智能掘進機的四種電機的運行電流進行監(jiān)測，保證其電機的運行安全。智能掘進機的油泵電機的主回路如圖2 所示。選型時隔離開關(guān)選用OT400E12 型號；交流真空接觸器采用CKJ11 系列，電流變送器選用CS50 系列。

3.2 傳感器硬件選型

智能掘進機在實際運行過程中需要傳感器對其狀態(tài)和周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測，這就需要傳感器來實現(xiàn)其過程。智能掘進機傳感器部分主要有位姿傳感器、溫度傳感器、油缸行程傳感器以及壓力傳感器等多傳感器于一身。智能掘進機位姿傳感器選用的是GUD90-CAN 動靜態(tài)雙模傾角傳感器，油缸行程傳感器采用的是GUC2500 型號，溫度傳感器采用的是GWD200B 型號，壓力傳感器采用的是GPD60 本質(zhì)安全型。

3.3 控制模塊的選型與設(shè)計

控制模塊作為智能掘進機電控系統(tǒng)的核心部分，其主要由控制器、遙控模塊、CAN 通信模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等組成，各個模塊之間利用CAN 進行通信以及數(shù)據(jù)交換，控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制模塊結(jié)構(gòu)組成

4 智能掘進機電控系統(tǒng)軟件設(shè)計以及試驗測試

4.1 智能掘進機電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能掘進機電控系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分，一部分是主程序部分，主程序是為了實現(xiàn)智能掘進機整個作業(yè)流程的正常開展；另一部分是子程序部分，子程序部分包括安全啟停、狀態(tài)監(jiān)測及保護、主機的行走、截割作業(yè)以及數(shù)據(jù)信息的顯示等。

智能掘進機電控系統(tǒng)的主程序流程如圖4 所示。

圖4 智能掘進機電控流程

4.2 實驗測試

為了保證智能掘進機電控系統(tǒng)的安全性和可靠性，對智能掘進機電控系統(tǒng)進行了截割試驗、通信實驗。截割試驗利用六點試驗法對截割點的位置信息進行分析，截割試驗從距離斷面底部（-1500，400）的位置朝著右側(cè)方向進行運動，行走3000 mm 后在（1500，400）處朝著上方進行截割，當達到（1500，800）再朝著左側(cè)進行截割的動作形式，將上述動作重復3 遍后，監(jiān)測其截割臂的誤差距離，最終截割臂運動距離如表1 所示。最后實驗結(jié)果得出智能掘進機電控系統(tǒng)在橫向距離的最大誤差為3.7 cm，縱向距離的最大誤差為1.5 cm，均符合掘進機作業(yè)控制要求。

表1 截割臂運動距離誤差 單位：mm

5 結(jié)語

掘進機作為煤礦巷道掘進的主要設(shè)備，其電控系統(tǒng)直接影響著掘進機的工作效率，因此對掘進機進行智能化改造勢在必行。以智能掘進機電控部分的總體功能要求為基礎(chǔ)，對智能掘進機的主回路、傳感器以及控制模塊進行選型，對智能掘進機電控系統(tǒng)軟件部分進行設(shè)計。最后利用截割試驗和通信實驗對智能掘進機的橫縱向誤差和通信實際效果進行監(jiān)測，均達到了智能掘進機的相關(guān)要求，促進了智能掘進機的進一步發(fā)展，提高了掘進機的智能化程度，實現(xiàn)了對掘進機運行狀態(tài)和周圍環(huán)境的實時監(jiān)測，提高了煤炭開采的安全性，更加促進了煤礦的智能化建設(shè)。