用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)設(shè)計

劉文明

(潞安集團 漳村煤礦，山西 長治 046000)

巖巷掘進技術(shù)經(jīng)歷了炮掘、液壓鉆車與裝巖機組合掘進以及硬巖掘進機(TBM)掘進的過程。炮掘的缺點為工作效率低、勞動強度大、巷道成型效果差、危險系數(shù)大。液壓鉆車加裝巖機組合掘進工作效率得到大幅提高，但是操作時工序復(fù)雜、設(shè)備故障率高且排矸時間過長。硬巖掘進機(TBM)掘進截割能力強，掘進效率高，與膠帶裝載機和膠帶運輸機配套使用實現(xiàn)了連續(xù)截割、連續(xù)裝矸，極大地提高了巖巷掘進速度。硬巖掘進機系統(tǒng)設(shè)計中，電氣系統(tǒng)是其中最為關(guān)鍵的一部分。

1 泛電氣系統(tǒng)設(shè)計

用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)設(shè)計不僅包括傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計方案，還融合了計算機技術(shù)以及無線通信技術(shù)方案，見圖1. 在該泛電氣系統(tǒng)方案設(shè)計中，包含的單元模塊有PLC控制單元、保護單元、驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、遙控單元以及人機界面單元。其中，人機界面單元融合計算機技術(shù)，將硬巖掘進機運行過程中的系統(tǒng)參數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)、故障信息等進行顯示，方便操作人員及時了解和掌握設(shè)備運行情況，也方便技術(shù)人員進行故障排除。數(shù)據(jù)傳輸單元融合了網(wǎng)絡(luò)有線/無線通信技術(shù)，其實質(zhì)包含CanOpen轉(zhuǎn)WIFI通信模塊，即接收PLC控制單元的普通數(shù)據(jù)和視頻信息，并將其轉(zhuǎn)換為無線信號，供硬巖掘進機的遠程操作平臺顯示，方便遠程操作，或上傳至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。

圖1 硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)設(shè)計圖

1.1 PLC控制單元設(shè)計

PLC控制單元是硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)的核心，該單元模塊是其他6個單元模塊的控制核心。PLC控制單元采集單元信息，如傳感器模擬量信息、按鈕數(shù)字量信息后，進行邏輯判斷，控制驅(qū)動單元動作。同時根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息，判斷該系統(tǒng)、電機是否需要保護。該控制單元與人機界面以CanOpen通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與遙控單元以CanOpen通信方式實現(xiàn)硬巖掘進機的遙控操作[1-2]. PLC控制單元以Can通信方式將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)信息傳送給數(shù)據(jù)傳輸單元，并通過CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊將數(shù)據(jù)以WIFI無線傳輸模式發(fā)送出去[3].

該硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)PLC程序流程框圖見圖2. 由圖2可以看出，PLC控制器為系統(tǒng)核心，系統(tǒng)將獲取的數(shù)字輸入信號、模擬輸入信號、視頻信息數(shù)據(jù)以及遙控數(shù)據(jù)都傳送給PLC控制器，由其作出邏輯判斷，并控制電機、電磁閥動作，同時將有用數(shù)據(jù)傳送給人機界面和礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)。

圖2 PLC軟件控制流程圖

1.2 保護單元設(shè)計

保護單元設(shè)計中有過載保護、短路保護、負序過流保護、單相接地保護、欠壓和過電壓等電氣系統(tǒng)保護形式。另外還有油液保護、壓力保護以及流量保護等液壓系統(tǒng)保護形式。其設(shè)計宗旨即在該泛電氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，能夠采用對應(yīng)、準確的保護措施，避免系統(tǒng)、電機受到損壞。

1.3 驅(qū)動單元

驅(qū)動單元是硬巖掘進機的執(zhí)行機構(gòu)，PLC控制器進行邏輯判斷后，控制驅(qū)動單元動作，如控制電液比例閥動作、控制電磁換向閥動作、控制油泵電機、截割電機、除塵電機等設(shè)備的啟停、加減速等。

1.4 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元是獲取該泛電氣系統(tǒng)中的各電機系統(tǒng)參數(shù)信息(電壓、電流、溫度)、油溫、油位、壓力、傾角、位移等傳感器數(shù)據(jù)信息，作為PLC控制單元進行邏輯控制的參考。模擬量傳感器信號可以是0～10 V的電壓信號，也可以是4～20 mA的電流信號，在PLC控制器中需要做模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時還包括對硬巖掘進機左前方、右前方、左后方、右后方視頻圖像的采集，保證硬巖掘進機司機對該設(shè)備的運行狀態(tài)有更全面的掌握。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸單元與PLC控制單元之間以CAN通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸單元中有CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，以WIFI無線網(wǎng)絡(luò)承載硬巖掘進機電氣系統(tǒng)信息，并發(fā)送至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)，以被監(jiān)測。

1.6 遙控單元

設(shè)計的硬巖掘進機有遙控操作模式，其功能在遙控單元中完成。在遙控單元中的遙控接收器接收遙控發(fā)生器的控制指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給PLC控制器，進而由PLC控制器控制驅(qū)動單元按照控制指令動作。涉及到的遙控接收器和遙控發(fā)送器之間以ZigBee無線通信模式完成控制指令以及普通數(shù)據(jù)的傳輸。

1.7 人機界面單元設(shè)計

人機界面單元是硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)的監(jiān)測和檢測平臺，PLC控制單元將其所有系統(tǒng)參數(shù)信息、傳感器數(shù)據(jù)信息、輸入/輸出數(shù)字量信息、遙控信息、保護信息以及故障信息等數(shù)據(jù)以CanOpen通信方式傳遞給人機界面，便于工作人員和技術(shù)人員實時掌握該硬巖掘進機的運行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，能夠根據(jù)人機界面信息對故障進行及時、準確的排除。

2 工業(yè)性試驗

設(shè)計并實現(xiàn)的用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)于2018年08月—2019年01月進行了為期6個月的工業(yè)性試驗，具體試驗情況見表1.

由表1可知，該開拓巷道的巷道斷面為7.8 m2，硬巖掘進機最小每日均進尺為1.6 m，最大每日均進尺為2.6 m，經(jīng)統(tǒng)計，2018年08月—2019年01月的平均日進尺為2.17 m. 該巷道開拓采用炮掘工藝時，平均月進尺為40 m，平均日進尺為1.3 m. 由此可以看出，在開拓巷道中采用硬巖掘進機在降低工人勞動強度的同時，掘進速度快，提高了開拓巷道的效率。另外，采用硬巖掘進機開拓巷道，其截割頭對硬巖圍巖的破壞小，減少了圍巖松動圈的范圍，提高了圍巖的穩(wěn)定性。

表1 掘進進尺數(shù)據(jù)表

3 結(jié) 論

設(shè)計用于開拓巷道的硬巖掘進機泛電氣系統(tǒng)，以PLC控制技術(shù)為核心，以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，融合計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及視頻采集技術(shù)為一體，將硬巖掘進機全面、立體、多角度的呈現(xiàn)與掘進機司機，使其能夠更好、更高效的工作。