懸臂式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

張志宏

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司晉東南分公司， 山西 長治 046600）

引言

目前國內(nèi)硬巖掘進(jìn)技術(shù)日漸發(fā)展，但懸臂式硬巖掘進(jìn)機(jī)面臨的工況依然較為惡劣，存在切割電機(jī)功率大、機(jī)器震動、液壓系統(tǒng)發(fā)熱和作業(yè)環(huán)境干擾嚴(yán)重等問題。在進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮這些問題，設(shè)計出一種符合硬巖掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境和需求的電控系統(tǒng)方案。

1 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計原理分析

一般情況下，硬巖掘進(jìn)機(jī)設(shè)定整機(jī)裝機(jī)功率應(yīng)不低于350 kW，采用交流1 140 V作為系統(tǒng)供電。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)性能、作業(yè)工況等條件，掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)包括電機(jī)控制保護(hù)、急停、液壓系統(tǒng)控制、報警以及掘進(jìn)機(jī)照明燈一系列輔助設(shè)備控制功能。本文從國內(nèi)煤礦井下作業(yè)實(shí)際環(huán)境出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)可靠性、適應(yīng)性以及先進(jìn)性，提出了一種新型的掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)方案，見圖1。

圖1 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1）傳感器模塊。如圖1所示，將以往常規(guī)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)中電機(jī)保護(hù)和電路保護(hù)這兩種常用功能予以省略，主要包括電流過載、短路、漏電保護(hù)、缺相、漏電閉鎖檢測和控制電路等等。本文所采用的設(shè)計方案中，系統(tǒng)設(shè)置傳感器的目的主要是監(jiān)視、評估掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵元部件，負(fù)責(zé)檢測掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)。虛線框部分的傳感器全部安裝在系統(tǒng)電控箱外部，屬于本質(zhì)安全型設(shè)計。系統(tǒng)傳感器和控制器之間通訊的實(shí)現(xiàn)均由經(jīng)過光電隔離處理后的數(shù)字信號來完成。與常規(guī)信號模擬傳輸模式相比，數(shù)字信號抗干擾性明顯增強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性更好，而且接線更為方便?，F(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計確保所有接口的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，傳感器升級改型不受系統(tǒng)控制器的影響，這有利于系統(tǒng)技術(shù)升級，同時也為引入新的檢測裝置提供了必要的便利。油位以及油溫傳感器的設(shè)置目的是為了避免油路溫度異常升高，造成液壓元件故障或性能老化，避免液壓系統(tǒng)油量偏低的狀態(tài)下控制系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，對液壓元件有很好的保護(hù)作用。切割電機(jī)模塊中，冷卻水進(jìn)水口設(shè)置有傳感器負(fù)責(zé)檢測冷卻水量，可根據(jù)電機(jī)冷卻要求提供充足的冷卻水量，避免電機(jī)繞組溫度異常升高引起的絕緣老化問題。油路壓力檢測部分主要是對液壓回油壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)壓力異常問題，系統(tǒng)控制器發(fā)出指令控制油泵電機(jī)停轉(zhuǎn)。為了避免出現(xiàn)電機(jī)繞組溫度異常升高以及電機(jī)過載現(xiàn)象，可利用電流互感器、Pt100熱敏電阻分別對電動機(jī)電流以及電機(jī)繞組溫度實(shí)施監(jiān)控。應(yīng)注意的是，控制電路和溫度檢測電路之間應(yīng)彼此隔離，避免啟動和關(guān)停電機(jī)時干擾信號。此外，切割臂部位的檢測裝置主要是用于實(shí)現(xiàn)斷面自動成型[1-2]。

2）執(zhí)行模塊。硬巖掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為三個部分：礦用本安型電磁閥、隔爆型三相異步電動機(jī)和電液比例閥?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用控制電磁閥來完成掘進(jìn)機(jī)前后行走、后支撐以及鏟板升降等一系列常用液壓動作。通過電液比例閥完成掘進(jìn)機(jī)切割臂擺動動作。同時通過檢測、監(jiān)控切割電機(jī)電流數(shù)值實(shí)現(xiàn)對電液比例閥電壓電流數(shù)值的監(jiān)測控制，最終達(dá)到控制擺動速度的設(shè)計目的，可有效避免電機(jī)長時間處于過載狀態(tài)的問題。電動機(jī)分為三類，分別為油泵電機(jī)、裝/運(yùn)電機(jī)和切割電機(jī)。裝運(yùn)電機(jī)部分共有兩臺型號相同的電機(jī)，能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。在該部分的設(shè)計中應(yīng)對電氣開啟順序以及彼此的閉鎖關(guān)系予以重點(diǎn)考慮，可以利用軟件來實(shí)現(xiàn)對不同電機(jī)之間的邏輯控制，同時也可在裝運(yùn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)之間增加硬電路閉鎖裝置。

3）人機(jī)界面。該系統(tǒng)人機(jī)交互界面由大屏液晶顯示器以及相應(yīng)的操控按鈕構(gòu)成，二者均于隔爆+本質(zhì)安全型操作箱內(nèi)部安裝，通過現(xiàn)場總線方式實(shí)現(xiàn)控制器和系統(tǒng)液晶顯示器之間的通訊交互，操作人員通過人機(jī)界面全面及時地掌握電控系統(tǒng)相關(guān)檢測信息反饋及運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在這些數(shù)據(jù)信息的支持下高效率操作設(shè)備。同時，操作人員利用人機(jī)交互界面可獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析以及故障信息，操控按鈕分別對應(yīng)電機(jī)啟停以及電磁閥控制等等。本設(shè)計方案中，人機(jī)界面和系統(tǒng)電控箱彼此分離，操作人員可以把更多的精力投入到整機(jī)控制方面，無需分心關(guān)注控制系統(tǒng)各部分的具體運(yùn)行。此外，操作箱還有外接數(shù)據(jù)接口，利用井下工控網(wǎng)絡(luò)把液晶顯示器提供的數(shù)據(jù)信息傳輸至地面控制室[3-4]。

4）輔助設(shè)備。控制系統(tǒng)輔助設(shè)備主要分為無線遙控模塊、瓦斯斷電模塊、機(jī)器照明裝置以及預(yù)警模塊等，其中無線遙控模塊配置不同于液壓動作的控制按鈕，運(yùn)行正常的情況下可用于操控機(jī)器完成各種液壓動作，系統(tǒng)照明燈均為防震隔爆型設(shè)備。一旦瓦斯超限，前級磁力啟動器在系統(tǒng)瓦斯斷電裝置的配合下切斷系統(tǒng)供電，確保系統(tǒng)安全。

2 掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要控制功能

2.1 自動調(diào)節(jié)切割電機(jī)功率

考慮到硬巖掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境以及切割電機(jī)負(fù)載情況，擬采用閉環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)切割電機(jī)輸出功率的自動調(diào)節(jié)，以此來保證切割效率，具體原理見圖2。

圖2 切割電機(jī)功率控制示意（In、Ie分別為切割電機(jī)額定電流、工作電流）

切割電機(jī)運(yùn)行過程中，如果控制器檢測提示切割電流數(shù)值偏低，則會對電液比例閥電壓或者電流做出相應(yīng)的自動調(diào)節(jié)，提高切割臂運(yùn)行速度，隨著切割阻力升高，電機(jī)負(fù)載以及電流數(shù)值隨之增加，最終達(dá)到電機(jī)額定電流。隨著切割作業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡，切割電機(jī)最終保持恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)。如果切割形狀不規(guī)則，應(yīng)將這一調(diào)節(jié)功能關(guān)閉，采用人為切割控制模式即可。

2.2 斷面自動成型

掘進(jìn)機(jī)作業(yè)狀態(tài)下前方粉塵較大，而且機(jī)器震動較大，操作人員視野狹窄，難以有效控制切割斷面性狀。本設(shè)計方案具備斷面自動切割功能，對于形狀比較規(guī)則的巷道，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)矩形以及拱形斷面切割操作的預(yù)設(shè)，對切割斷面各項參數(shù)予以合理設(shè)置，從而達(dá)到斷面自動切割的效果，見圖3、圖4。

圖3 矩形斷面參數(shù)示意

圖4 拱形斷面參數(shù)示意

如圖3所示，將斷面參數(shù)X、Y輸入控制系統(tǒng)，控制器結(jié)合切割頭直徑來解析X、Y參數(shù)，使之轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)切割流程。結(jié)合切割臂位置的傳感器發(fā)揮的實(shí)時信息，掌握水平以及數(shù)值位置，然后控制切割臂的升降以及回轉(zhuǎn)電磁閥，完成切割動作。

圖4設(shè)計結(jié)構(gòu)中，將斷面X、Y、R三項數(shù)據(jù)參數(shù)輸入控制系統(tǒng)，控制器首先根據(jù)上圖3進(jìn)行矩形切割，然后結(jié)合切割頭直徑以及參數(shù)R制訂切割方案，結(jié)合切割臂位置的傳感器發(fā)揮的實(shí)時信息，掌握水平以及數(shù)值位置，然后控制切割臂的升降以及回轉(zhuǎn)電磁閥，完成切割動作[5-6]。

3 控制系統(tǒng)器件安裝注意事項

應(yīng)充分考慮掘進(jìn)機(jī)工況，例如低頻大振幅上下振動、較高的負(fù)載沖擊等等，安裝系統(tǒng)電控箱和操作箱時應(yīng)配備減震墊，以緩解大振幅引起的不良影響。選用接觸器或者隔離開關(guān)等諸如此類的主回路元件，應(yīng)注意留取安全容量。控制器以及螺釘固定裝置均應(yīng)配備彈簧墊圈或者彈簧減震。此外還應(yīng)做好獨(dú)立傳感器的防水防塵處理。

4 結(jié)語

所用設(shè)計方案現(xiàn)階段已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)踐，結(jié)果顯示控制效果良好，還可用于半煤巖以及煤巷掘進(jìn)機(jī)的控制。

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