EBZ260型掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)升級設(shè)計研究

宋若杰

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城048000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤炭物料生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的開采設(shè)備之一，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電氣自動化的突破，對其電控系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，提高系統(tǒng)整體的集成性。電控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)電氣自動化發(fā)展的第一步，掘進(jìn)機(jī)機(jī)在作業(yè)過程中受到電控系統(tǒng)各種命令的支配，實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械動作。對EBZ260型掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，提升模塊化設(shè)計理念。通過增加功能模塊，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程無線操控的模式應(yīng)用，使得掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的智能化、高效化設(shè)計研究取得進(jìn)步[1-2]。

1 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計要求

1.1 基本要求

根據(jù)煤礦行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要參考MT/T238.3標(biāo)準(zhǔn)，對掘進(jìn)機(jī)相關(guān)技術(shù)設(shè)計提出了規(guī)范性要求，對于EBZ260型掘進(jìn)機(jī)這種懸臂式掘進(jìn)機(jī)的電控系統(tǒng)提出了以下基本要求[3-4]：

1）電控系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)及安裝維護(hù)都應(yīng)符合《煤礦安全規(guī)程》等相應(yīng)法律法規(guī)以及規(guī)章制度；

2）電控系統(tǒng)所選用的所有元器件都應(yīng)是防爆型元器件設(shè)備，并取得相應(yīng)的檢驗(yàn)合格證書；

3）電控系統(tǒng)要設(shè)置報警裝置，能夠及時地發(fā)出報警信號；

4）電控系統(tǒng)中，截割與其他電機(jī)設(shè)備都應(yīng)實(shí)現(xiàn)連鎖反應(yīng)，主要與油泵電機(jī)實(shí)行連鎖運(yùn)動，確保本質(zhì)安全；

5）可以實(shí)現(xiàn)對油箱內(nèi)溫度、液味的信號顯示，并加裝過濾裝置，電控系統(tǒng)應(yīng)聯(lián)合瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測裝置進(jìn)行聯(lián)動。

1.2 控制要求

采取CAN總線技術(shù)的時候應(yīng)進(jìn)行初始化，有利于實(shí)現(xiàn)控制器接收響應(yīng)數(shù)據(jù)；對掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控系統(tǒng)的各個線路電壓要進(jìn)行檢測，能夠在故障時進(jìn)行報警[5]；當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)開始啟動的時候，聯(lián)動的報警裝置應(yīng)發(fā)出信號，并且設(shè)置延時時間為5～9 s；合理設(shè)置電機(jī)與其他各個位置的小型電機(jī)啟動與停止的順序，確保安全運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)對電機(jī)狀態(tài)的管理，能夠具體判斷電機(jī)的故障類型，可以檢測電機(jī)電流以及電機(jī)Pt100的測量。

2 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)電控系統(tǒng)的基本要求以及控制要求，結(jié)合現(xiàn)有電控系統(tǒng)所存在的控制盲區(qū)以及智能化較為低端的現(xiàn)狀，設(shè)計出整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)升級設(shè)計示意圖

3 電控系統(tǒng)器件參數(shù)設(shè)計及選型

3.1 控制器選型

對于掘進(jìn)機(jī)惡劣的工作環(huán)境，控制器核心元件應(yīng)滿足高溫、高濕的工作環(huán)境，并且控制器的保護(hù)結(jié)構(gòu)能夠具有高防護(hù)水平，通過優(yōu)選得出可以采用Inter Control廠家的控制器，比常用的PLC控制器更加適合電控系統(tǒng)的使用[6]。因此，將Inter Control廠家的DCF-D控制器作為中央處理器部件?？刂破鞯木唧w參數(shù)為具有三個總線通訊線路，能夠?qū)崿F(xiàn)上傳下載功能相分離的無干擾執(zhí)行，PWM輸出接口最大可設(shè)置16路，作為64位的處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)多種格式數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并且支持總線CAN2.0協(xié)議。

3.2 元器件設(shè)計及操作實(shí)現(xiàn)

在電控系統(tǒng)的主回路部分應(yīng)設(shè)置熔斷器用于保護(hù)系統(tǒng)在短路時候的安全性，電流變送器的數(shù)目盡量不小于5組，其中截割電機(jī)的額定功率為260 kW，二運(yùn)電機(jī)的額定功率為15 kW，在總回路的額定電流不得大于290 A。

隔離開關(guān)的額定電流為390 A，型號可以采用400E11，應(yīng)該提高30%的冗余電流設(shè)計余量。交流真空接觸器應(yīng)考慮分段極限設(shè)計，對每個分段的額定電流能力進(jìn)行規(guī)定，額定電流可考慮為200 A。變速器采用三相電流型，型號為CS66系列，可以同時測量6路電流。

電源必須選用安全穩(wěn)定可靠的安全本質(zhì)型電源系統(tǒng)，具有防爆合格證和過載保護(hù)功能，并結(jié)合空氣斷路器對線路進(jìn)行短路保護(hù)。在整體系統(tǒng)操作單元的末端設(shè)置顯示器，能夠清晰地顯示整個電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，整體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信接口應(yīng)支持RX485，能夠應(yīng)對-20～80℃的惡劣電氣環(huán)境。將各個元器件進(jìn)行并聯(lián)組裝設(shè)計形成新型電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖3 升級功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 功能升級設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)更加的自動化，在原有的基礎(chǔ)上對相應(yīng)模塊構(gòu)架上進(jìn)行了加強(qiáng)，添加了控制箱以及若干個液壓器件實(shí)現(xiàn)了功能的升級，功能升級架構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件設(shè)計整體圖

3.4 軟件設(shè)計

通過主程序帶動此程序的設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)對主程序軟件流程圖的邏輯設(shè)計，包括初始化子程序的設(shè)計、系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序、電機(jī)狀態(tài)管理子程序、運(yùn)行狀態(tài)判斷處理子程序，整體流程如圖4所示。

圖4 主程序軟件結(jié)構(gòu)流程示意圖

4 測試運(yùn)行結(jié)果分析

如圖5所示，畫面的左下角顯示各個電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，紅色表示電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)，綠色表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。畫面的右下角是斷面參數(shù)修改，當(dāng)有紅色光標(biāo)出現(xiàn)時，就可以對其參數(shù)進(jìn)行修改。操作箱或者遙控器上的上頁下頁按鈕分別控制光標(biāo)的移動，報警和復(fù)位控制數(shù)值的加減。參數(shù)中的寬是指預(yù)設(shè)斷面的橫向長度，高是指預(yù)設(shè)斷面的縱向長度，截割半徑是指截割時伸進(jìn)煤壁炮頭半徑，該參數(shù)設(shè)置在0到截割炮頭的最大半徑范圍內(nèi)，截割步長是指S型截割時每次縱向切割量，該參數(shù)設(shè)置在0到截割炮頭直徑范圍內(nèi)。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置操作界面

對掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)升級與功能模塊進(jìn)行運(yùn)行測試，模擬試驗(yàn)時設(shè)備的截割頭直徑為Φ600 mm，豎直方向截割每一步間距取460 mm，同時因?yàn)槭窃趶S內(nèi)試驗(yàn)，為了避免截割頭和地板發(fā)生碰撞，對截割頭的初始豎直位置取950 mm，并將起始點(diǎn)設(shè)為左下角。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，水平單側(cè)最大偏差為60 mm，垂直單側(cè)最大偏差40 mm。目前在人工操作情況下，巷道工程質(zhì)量施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定誤差為（+200 mm，-100 mm），因此，該系統(tǒng)的控制精度完全滿足施工要求，其應(yīng)用可以有效地減少人力，提高巷道掘進(jìn)的質(zhì)量與效率。

5 結(jié)語

1）EBZ260型掘進(jìn)機(jī)中控系統(tǒng)通過增加功能模塊和液壓元器件提升了掘進(jìn)機(jī)開采精度以及效率，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控作業(yè)化的功能，減小了人工干預(yù)出錯的可能性，對煤礦企業(yè)本質(zhì)安全化管理有了極大的促進(jìn)作用。

2）該系統(tǒng)設(shè)計升級改動性較小、成本較低，對于后期功能模塊的拓展也預(yù)留了升級空間，為煤礦企業(yè)技術(shù)人員研發(fā)新型掘進(jìn)機(jī)智能化設(shè)備提供了依據(jù)。