摘 要：介紹了一種掘錨機電控系統(tǒng)方案，其在現(xiàn)有掘錨機電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把每一個子部件按照信號類型、功能劃分成獨立模塊。高度模塊化的設(shè)計思路，可以解決掘錨一體化設(shè)備在掘進(jìn)和支護(hù)模式下信號傳遞與顯示困難的問題，讓主機控制體系與鉆錨控制體系高度契合。模塊化設(shè)計還可以解決系統(tǒng)故障難以查找和更換等現(xiàn)場實際難題，更加高效地使用智能化掘錨一體設(shè)備，減少故障發(fā)生，避免人員危險。

關(guān)鍵詞：掘錨機電氣系統(tǒng)；鉆機控制；模塊化；智能化掘錨機

中圖分類號：TD421" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0077-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.018

0" " 引言

當(dāng)今煤礦生產(chǎn)中綜采環(huán)節(jié)和掘進(jìn)環(huán)節(jié)是兩個不可或缺的部分，在掘進(jìn)工作面，掘錨一體化設(shè)備已經(jīng)是發(fā)展所趨，發(fā)揮著不可替代的作用[1]。

本文介紹一種縱軸掘錨機電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)與機械、液壓等部分配合，可自如地實現(xiàn)整機的各種生產(chǎn)作業(yè)，同時對截割電機、油泵電機、二運電機、水泵電機等的工況及回路的絕緣情況進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。采用無線通信裝置設(shè)計，可實現(xiàn)遠(yuǎn)控和遙控一鍵打鉆、錨固等功能，達(dá)到各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行的目的。

但是目前掘錨一體設(shè)備的電氣系統(tǒng)存在一些問題，其中一個主要的問題是電氣系統(tǒng)模塊化程度不高，主要體現(xiàn)在掘進(jìn)和支護(hù)模式下，掘錨機電機參數(shù)、傳感器參數(shù)、鉆機實時參數(shù)無法在顯示屏上實時顯示。當(dāng)掘錨一體機出現(xiàn)故障時，查找問題困難、理線困難、器件更換困難[2-3]。在日常礦方生產(chǎn)過程中，掘錨機電氣系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障導(dǎo)致頻繁停機，影響生產(chǎn)效率并引發(fā)人員安全風(fēng)險。鑒于此，設(shè)計了一種模塊化的電控系統(tǒng)。

1" " 方案設(shè)計意義

本方案提供一種模塊化的縱軸掘錨一體設(shè)備電控系統(tǒng)，可以有效解決現(xiàn)有方案中存在的模塊化程度不高、故障查找困難等問題，避免縱軸掘錨機在掘進(jìn)或者支護(hù)狀態(tài)下，由于功能劃分不清楚，設(shè)備頻繁停機，增加故障率及人員安全風(fēng)險等問題。

研發(fā)縱軸掘錨機電控系統(tǒng)，可以更好地滿足掘錨機的使用需求，對提高礦用掘錨機的控制性能，提升企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。根據(jù)電控系統(tǒng)的實時監(jiān)控，可以得出整機運行的實時狀態(tài)，保證高效掘進(jìn)和臨時支護(hù)作業(yè)，使掘錨機更加穩(wěn)定、可靠、高效[4]。

2" " 技術(shù)方案

2.1" " 方案綜述

本方案設(shè)計結(jié)合電控箱與操作箱，將整體劃分為10個模塊：第一控制器1、第一電流變送器2、第二電流變送器3、操作箱4、第一傳感器5、第二傳感器6、漏電檢測模塊7、第二控制器8、第一輸出模塊9、第二輸出模塊10。下面通過電控系統(tǒng)信號示意圖（圖1）對全部方案功能和布局進(jìn)行介紹。

2.2" " 掘錨機電控系統(tǒng)信號部分

整套系統(tǒng)中涉及的信號處理有五個類別：模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、CAN總線通信、MODBUS總線通信。

第一控制器1為掘錨機控制器，是整個控制系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用IC系列的控制器，控制器具有掘進(jìn)與支護(hù)兩種工作模式。

第一電流變送器2與第一控制器1電性連接，用于向第一控制器傳輸?shù)谝唤M電機的模擬量輸入信號，第一組電機模擬量包括油泵電機的電流信號、截割電機截割高速電流、二運電機的電流信號；第二電流變送器3與第一控制器1通過CAN網(wǎng)橋電性連接，用于向第一控制器傳輸?shù)诙M電機的模擬量輸入信號，第二組電機信號包括備用電機電流、截割電機截割低速電流。

操作箱4與第一控制器1電性連接（圖1左下方），用于向第一控制器1傳輸?shù)谝活悢?shù)字輸入信號（例如各個電機的啟停信號、操作箱急停閉鎖信號、掘進(jìn)/支護(hù)模式選擇信號等）；第一傳感器5與第一控制器1通過閾值開關(guān)電性連接，用于向第一控制器1傳輸?shù)诙悢?shù)字輸入信號（例如油溫傳感器、油位傳感器、甲烷傳感器）；第二傳感器6與第一控制器1電性連接，用于向第一控制器1傳輸?shù)谌悢?shù)字輸入信號（例如各個電機過熱保護(hù)信號）；漏電檢測模塊7與第一控制器1直接連接，用于向第一控制器1傳輸截割電機、油泵電機或者二運電機漏電急停等信號。

第二控制器8將在下文單獨章節(jié)進(jìn)行說明。

第一輸出模塊9與第一控制器1通過MODBUS總線通信連接，用于顯示第一數(shù)字量輸出信號，第一數(shù)字量輸出信號包括各個電機過熱輸出信號、急停閉鎖信號、支護(hù)閥選擇信號、油溫、油位、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)字量信號；第二輸出模塊10直接與第一控制器1連接，用于輸出第二數(shù)字量輸出信號，包括油泵電機開關(guān)量信號、截割電機低速運轉(zhuǎn)開關(guān)量信號、截割電機高速運轉(zhuǎn)開關(guān)量信號、二運電機開關(guān)量信號、警鈴和照明燈的啟動信號。

2.2.1" " 特殊設(shè)計——鉆錨控制器

圖1中第二控制器8為鉆錨控制器，鉆錨控制器信號通過CAN網(wǎng)橋，將鉆機實時狀態(tài)傳至第一控制器1。

如圖2所示，鉆機操作箱按鈕信號可以通過此路徑驅(qū)動電磁閥動作，同時可以在主機顯示屏上看見實時信息。同樣地，使用遙控器也可以控制或監(jiān)控鉆機狀態(tài)，當(dāng)遙控器動作信號經(jīng)過SY1接收模塊傳至第二控制器，第二控制器輸出動作信號，同時傳感器監(jiān)測實時信息，收到的信息通過CQ-CANBUS采集驅(qū)動板到達(dá)CAN網(wǎng)橋，之后一路信號經(jīng)過第一控制器到達(dá)顯示屏進(jìn)行顯示，另外一路信號經(jīng)過SY1接收模塊在遙控器上顯示。

此系統(tǒng)完全獨立，與掘錨機主機控制系統(tǒng)彼此互不干涉，但是其中運行參數(shù)又可以使用主機顯示器或者通過主機MODBUS總線實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，巧妙地連接主機控制器和鉆機控制器。

2.2.2" " 掘錨機主程序設(shè)計

掘錨機電控系統(tǒng)具有掘進(jìn)與支護(hù)兩種工作模式。如圖3所示，開機初始化后，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和電機狀態(tài)檢測，然后選擇“掘進(jìn)”或“支護(hù)”模式，控制系統(tǒng)進(jìn)入對應(yīng)子程序和畫面。

其中第一部分初始化子程序包括CAN通信管理子程序、PDO管理映射、MODBUS總線通信，數(shù)據(jù)參數(shù)賦值子程序。系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序包括警鈴響應(yīng)、控制器IO初始化、站點通信監(jiān)測、系統(tǒng)電壓監(jiān)測、低壓漏電監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測，通過這一步檢測可以知道設(shè)備系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)是否有啟動的條件。系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序包括電機電流測量、電機溫度測量、各個電機故障判斷、電機運行時間寫入，這一步的目的是判斷電機是否在允許啟動的狀態(tài)上。之后電氣系統(tǒng)啟動就可以按照工作計劃進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

2.3" " 掘錨機電控系統(tǒng)硬件部分

本方案中電控箱硬件部分（圖4）包括：第一控制器1、第一電流變送器2、第二電流變送器3、操作箱4、第一傳感器5、第二傳感器6、漏電檢測模塊7、第二控制器8、第一輸出模塊9、第二輸出模塊10。

主要工作邏輯如下：系統(tǒng)主要電流（例如截割高速電流、油泵電流和二運電流）通過第一電流變送器2轉(zhuǎn)換為小電流，第二電流變送器3工作原理與第一電流變送器相同，其主要負(fù)責(zé)備用電機電流信號和截割低速電流信號。其中第一電流變送器直連控制器，第二電流變送器要經(jīng)過CAN-Bridge將實時的電流模擬量信號傳輸?shù)降谝豢刂破?。機身動作可以通過操作箱4上面所安裝的按鈕操作，按鈕的數(shù)字量開關(guān)信號直接傳輸進(jìn)第一控制器。當(dāng)出現(xiàn)任意電機漏電的情況，電機漏電檢測繼電器吸合，再通過漏電檢測模塊7將信號傳輸至第一控制器。數(shù)字量傳感器信號通過第一傳感器5和第二傳感器6傳輸至第一控制器。第一輸出模塊9和第二輸出模塊10可以借助顯示屏來展示控制器輸入的模擬量和數(shù)字量，正常工作情況下借助此系統(tǒng)可以直觀地知道信號是否準(zhǔn)確。

第一控制器收到各個電機啟動信號后，會輸出對應(yīng)開關(guān)量信號，直接控制各個電機的啟停；當(dāng)漏電檢測模塊檢測到存在漏電時，控制器將對每個電機進(jìn)行單獨檢測，確定具體發(fā)生漏電的電機；警鈴、照明燈和支護(hù)閥組選擇由控制器輸出開關(guān)量啟動。

第二控制器8為鉆臂的控制器，在信號部分已經(jīng)介紹其工作原理。在硬件部分，第二控制器經(jīng)過CAN-Bridge與主機的第一控制器進(jìn)行連接。鉆機平臺有五個傳感器，信號統(tǒng)一傳輸至CQ-CANBUS采集驅(qū)動板，然后通過CAN總線傳至控制器，可以得出鉆機實時的位置角度等。另遙控器設(shè)有一鍵打鉆、一鍵錨固功能，控制器收到信號后，運行程序設(shè)定的操作，輸出相應(yīng)的PWM信號，實現(xiàn)一鍵打鉆、錨固功能。

操作箱4硬件部分包括：油泵電機、截割電機、二運電機、水泵電機和備用電機的啟停按鍵，所有的急停閉鎖按鈕、掘錨一體機所有的功能按鍵、報警按鍵、掘進(jìn)/支護(hù)切換按鈕及支護(hù)閥各個功能按鈕。

3" " 方案優(yōu)點及總結(jié)

通過上述對于全套方案信號部分和硬件部分的說明，全面闡述了此方案的設(shè)計特點和優(yōu)點。

整套電氣系統(tǒng)采用高度模塊化的思路設(shè)計，當(dāng)生產(chǎn)過程中設(shè)備出現(xiàn)問題時，可通過電氣硬件連接圖和信號示意圖，快速找到問題點，易于快速鎖定問題部件，進(jìn)行器件維修和更換。而且高度模塊化設(shè)計有利于安裝和維護(hù)時整理線路。

整套系統(tǒng)通信采用CAN加MODBUS現(xiàn)場總線，可以實時在顯示屏上顯示掘錨機運行狀態(tài)，系統(tǒng)包含電機溫度保護(hù)、漏電檢測、電流檢測等功能，豐富的傳感器檢測到異常時可以及時停機，獨立的鉆機控制系統(tǒng)不會影響到其他電控系統(tǒng)，多個閉鎖加強了整機的安全性。

通過特殊的設(shè)計巧妙結(jié)合了鉆機控制系統(tǒng)和主機控制系統(tǒng)，在二者之間鉆機信息可以實時暢通。通過主機或者遠(yuǎn)程顯示器可以在任意時間獲得鉆臂實際工作情況，且此交互系統(tǒng)兼容鉆機遙控器和鉆機本地操作臺。鉆機系統(tǒng)和掘錨機主機系統(tǒng)之間不存在依賴關(guān)系，當(dāng)任一系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，不影響另一系統(tǒng)正常工作。

整套方案貼近智能化掘錨一體化設(shè)備當(dāng)前的實際困難，如機械化程度不高、人員作業(yè)環(huán)境惡劣、圍巖支護(hù)機械化程度低等[5-6]，提供了一種解決問題的思路，有效提高了煤礦生產(chǎn)效率，讓掘錨一體化設(shè)備的智能化程度更上一個臺階?？煽康木蝈^機電控系統(tǒng)能提高掘錨機的工作效率，使掘錨機更加穩(wěn)定高效，達(dá)到增產(chǎn)提效、安全生產(chǎn)的目的，對煤礦實現(xiàn)采掘平衡和掘進(jìn)工作面智能化具有現(xiàn)實意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王曉軍，趙振宇，萬江.智能掘進(jìn)工作面的組成及發(fā)展方向[J].當(dāng)代化工研究，2024（1）：185-187.

[2] 孔令琪.巷道掘進(jìn)掘錨護(hù)一體機應(yīng)用研究[J].礦業(yè)裝備，2023（8）：78-80.

[3] 查太東.煤礦快速掘進(jìn)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤炭技術(shù)，2021，40（6）：30-32.

[4] 徐明輝.掘錨一體機快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用探析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2023（24）：169-171.

[5] 寧繼剛.掘錨一體機復(fù)雜地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)中應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2021（9）：196-197.

[6] 劉偉，王彥海.掘錨機分類選型研究[J].設(shè)備管理與維修，2017（7）：35-36.

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：李靜（1984—），男，河南洛陽人，工程師，主要從事采掘裝備電氣及智能化系統(tǒng)設(shè)計工作。