綜采工作面用拖纜箱電氣系統(tǒng)設(shè)計

王青松

(山西晉煤集團(tuán) 陽城晉圣上孔煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048100)

0 引言

綜采工作面的采煤機(jī)在工作時，需要在刮板輸送機(jī)上循環(huán)往復(fù)運(yùn)動。由于采煤機(jī)上電動機(jī)需要連接電纜為其供電。其連接采煤機(jī)電纜的長度會隨時發(fā)生變化，采煤機(jī)在機(jī)頭位置時，電纜長度最短，隨著采煤機(jī)的運(yùn)動，電纜的長度會慢慢變長，直至采煤機(jī)運(yùn)行到機(jī)尾位置，電纜長度達(dá)到最長。采煤機(jī)回程時，電纜長度會慢慢變短，直至采煤機(jī)運(yùn)行到機(jī)頭位置，電纜長度達(dá)到最短[1]。因此，在采煤機(jī)的一個往復(fù)運(yùn)動中，電纜長度由短變長，進(jìn)而又由長變短。在采煤機(jī)工作中，電纜是是十分重要的輔助設(shè)備，經(jīng)常會出現(xiàn)電纜被拉斷，造成采煤機(jī)直接停機(jī)的情況。因此，電纜的有效管理成為采煤機(jī)正常工作的一個關(guān)鍵因素。為此,設(shè)計拖纜箱，控制電纜與采煤機(jī)形成速度匹配，為采煤機(jī)提供可靠電源保證。

1 設(shè)計總體要求

1) 系統(tǒng)輸入電壓為AC1140/660V,拖纜箱的電動機(jī)功率為20 kW，利用變頻器對電動機(jī)進(jìn)行控制，變頻器采用水冷的冷卻方式。

2) 實(shí)現(xiàn)拖纜部與采煤機(jī)的協(xié)同控制，工作時拖纜箱根據(jù)采煤機(jī)的牽引速度，實(shí)時改變電纜長度。

3) 拖纜箱裝載在綜采工作面的設(shè)備列車上,該拖纜箱應(yīng)具備完善的電氣保護(hù)功能,有顯示運(yùn)行參數(shù)以及故障信息的人機(jī)界面,配備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，能與煤礦井下主網(wǎng)連通，并具備無線Wi-Fi發(fā)送數(shù)據(jù)接口。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，綜采工作面用拖纜箱硬件設(shè)計中主要用到的電氣元器件包括斷路器、變壓器、變頻器、絕緣監(jiān)視器、PLC控制器以及顯示屏等，硬件清單如表1所示[2-3]。

表1 拖纜箱電氣系統(tǒng)硬件清單

綜采工作面用拖纜箱的硬件設(shè)計分為主回路電氣系統(tǒng)設(shè)計以及控制系統(tǒng)設(shè)計兩方面。

1) 主回路設(shè)計。主回路電氣系統(tǒng)設(shè)計原理見圖1所示。斷路器的操作方式采用手動操作方式，供電電源經(jīng)變壓器后為變頻器供電，由變頻器直接驅(qū)動電動機(jī)工作，同時采用絕緣監(jiān)視模塊監(jiān)視漏電情況。另外，在電動機(jī)上U、V、W相各安裝一個霍爾型電流傳感器，將測量的電流值輸入PLC控制器，用于對電動機(jī)進(jìn)行過載、過流、粘連等保護(hù)。

2) 控制系統(tǒng)設(shè)計?？刂苹芈返暮诵氖荘LC控制器以及其擴(kuò)展模塊，電動機(jī)的起/停，加速、減速以及急停等操作都由PLC控制器經(jīng)過邏輯處理后驅(qū)動。PLC控制器與變頻器之間采用CAN通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并由變頻器直接驅(qū)動拖纜電動機(jī)。PLC控制器與HMI人機(jī)界面之間也采用CAN通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[4-5]。為保障CAN通信質(zhì)量，必須增加CAN通訊隔離柵,對CAN信號進(jìn)行隔離，并采用屏蔽雙絞線，屏蔽層必須接地。為了使該電氣系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給綜采工作面集中控制中心，增加CAN轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊，將CAN通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成Wi-Fi無線信號?？刂葡到y(tǒng)見圖2所示。

圖1 主回路電氣系統(tǒng)

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

拖纜箱PLC主程序流程如圖3所示。

圖3 PLC主程序流程

1) “初始化”主要完成對PLC程序中用到的變量的初始化，布爾型變量初始為False，非布爾型變量初始為0。

2) “CAN通信建立過程”主要完成PLC控制器與變頻器以及與人機(jī)界面的CAN通信的建立過程，該過程嚴(yán)格按照CAN通信協(xié)議規(guī)定的流程以及參數(shù)配置進(jìn)行建立。

3) “電動機(jī)保護(hù)/起動流程”主要完成對電動機(jī)的過載、過流、粘連等保護(hù)動作以及檢測電動機(jī)起動條件，在滿足條件的情況下起動電動機(jī)。

4) “與變頻器數(shù)據(jù)處理”主要完成PLC控制器與變頻器之間的CAN通信數(shù)據(jù)、指令的交互。

5) “與人機(jī)界面數(shù)據(jù)處理”主要完成PLC控制器發(fā)送拖纜箱運(yùn)行時的參數(shù)信息以及故障指示，由人機(jī)界面進(jìn)行畫面顯示。

拖纜箱需保證采煤機(jī)在運(yùn)行時線纜的長度保持在預(yù)期范圍內(nèi)。故在采煤機(jī)運(yùn)行時，拖纜箱必須跟隨采煤機(jī)運(yùn)動，即拖纜箱與采煤機(jī)的預(yù)期速度差必須保持在預(yù)期范圍內(nèi)。拖纜箱速度控制流程如圖4所示。首先設(shè)定預(yù)期速度差，同時周期性地獲取采煤機(jī)速度以及拖纜箱速度，對這兩個速度進(jìn)行減法操作:如果實(shí)際速度差大于預(yù)期速度差且采煤機(jī)速度大于拖纜箱速度，則拖纜箱加速；如果實(shí)際速度差大于預(yù)期速度差且采煤機(jī)速度小于拖纜箱速度，則拖纜箱減速；如果實(shí)際速度差小于或者等于預(yù)期速度差，則拖纜箱速度保持恒定。

圖4 拖纜箱速度控制流程

3.2 HMI人機(jī)界面設(shè)計

拖纜箱電氣系統(tǒng)的人機(jī)界面如圖5所示，人機(jī)界面可以監(jiān)視采煤機(jī)狀態(tài)，包括啟動/停止?fàn)顟B(tài)、電壓值、電流值、速度,還可監(jiān)視拖纜電動機(jī)狀態(tài),包括加速、減速、速度恒定。人機(jī)界面還可顯示拖纜電機(jī)故障、通信狀態(tài)以及故障信息，便于拖纜箱出現(xiàn)故障時對故障進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的定位。

圖5 拖纜箱電氣系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)論

該拖纜箱電氣系統(tǒng)可以控制線纜長度與采煤機(jī)速度的匹配在合理范圍之內(nèi)，不會因線纜過長或者過短而發(fā)生故障。拖纜箱電動機(jī)采用變頻控制方案，保證了線纜長度實(shí)時可調(diào)、可變。經(jīng)井下工業(yè)性試驗(yàn)證明,系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，基本滿足了設(shè)計要求。但仍存在一些問題，之后的研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拖纜箱與采煤機(jī)的速度精確匹配以及協(xié)同控制，以取得更好的使用效果。