煤礦掘進機電控系統(tǒng)的可靠性設計分析

高曉勇

（山西靈石華苑煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031300）

引言

在我國煤礦企業(yè)中懸臂式掘進機被廣泛應用，它不僅兼有切割、運輸和運輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)了礦井生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，而且它與錨桿鉆機搭配使用，開掘巷道與錨噴加固同時推進，又大大減小了巷道的用工消耗和建設周期。因此，本文主要選取掘進機作為研究對象，同時又對其電控系統(tǒng)的可靠性設計進行了著重分析。

1 掘進機電控系統(tǒng)結構

煤礦常用掘進機主要由主回路、控制電源、控制回路和保護電路四部分組成，具體如圖1 所示。

主回路主要是由隔離開關、真空接觸器、阻容吸收電路和電路互感器組成的。它主要是在通電后通過控制真空接觸器來使油泵（KM1）、截割（KM2）、二運（KM3）和風機電機（KM4）來正常工作的?？刂齐娫粗饕獮殡娍叵到y(tǒng)提供匹配的工作電壓，其組成部件主要包括電源組件、斷路器及繼電器等?？刂苹芈返暮诵慕M件是可編程控制器（即PLC），它通過通信組件接收來自于操作端的信號輸入，然后程序運行轉換從繼電器輸出，實現(xiàn)對掘進機各電機的開啟和終止。另外，PLC 組件還會接收來自礦井內各類傳感器反饋的數(shù)據(jù)，如瓦斯傳感器、電機溫度傳感器、漏電檢測器等等，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的耦合處理，并做出最優(yōu)選。保護回路的作用是當各類傳感器反饋的信息超出系統(tǒng)設定的正常范圍時所做出的保護性措施，它主要是由電流互感器（監(jiān)測短路、斷路等）、熱敏電阻（監(jiān)測電機溫度）、漏電繼電器和閉鎖檢測回路（監(jiān)測漏電情況及漏電位置）[1]。

圖1 煤礦掘進機電控系統(tǒng)的組件

2 掘進機電控系統(tǒng)可靠性的定量分析

定量分析主要是通過一些量化方法分析系統(tǒng)的可靠性參數(shù)和指標，如利用事故樹方法，分析故障發(fā)生后各個影響因素的重要度，從而制定出相應的控制方法；再比如蒙特卡洛法等。

2.1 解析法

解析法主要是通過對系統(tǒng)的結構和功能、元件的功能等進行分析，研究兩者在可靠性的邏輯關系，進而形成一套完備的可靠性概率模型。在這個模型基礎上進行迭代和推導研究，進而精確求解該模型，得出系統(tǒng)的可靠性指標。其中頗具代表性的方法是故障模式及后果分析法（簡稱FMEA 法），該方法的主要思路是某列出某個元件可能發(fā)生的故障，然后對可能引發(fā)故障的結果進行推導，直至出現(xiàn)系統(tǒng)故障，歸納出因果關系，然后重復此步驟來分析其他元件。通過對羅列出的故障結果進行統(tǒng)計，得出可能出現(xiàn)的這些故障各自的故障率，再耦合故障修復時間、導致的損失等參數(shù)得出系統(tǒng)某部件的可靠性指標。以煤礦掘進機的電氣系統(tǒng)為例，電氣系統(tǒng)的部件主要包括PLC、各類電源、繼電器、接觸器和電機等，以這些元件為切入點，分析它們出現(xiàn)故障可能引起的運算錯誤、宕機、數(shù)據(jù)輸入不不準確、傳感器失靈等等，算出以上各類故障的失效概率和造成的后果，便可得出各元件的可靠性重要度，進而有所側重的進行補強。

2.2 蒙特卡洛法

蒙特卡洛法可以分為序貫蒙特卡洛法和非序貫蒙特卡洛法，它主要是通過計算機架構出一個虛擬系統(tǒng)進行分析研究，當某一部件發(fā)生故障時，不需要溯回整個電氣系統(tǒng)，而是對故障次數(shù)、故障時間和修復時間進行累加。序貫蒙特卡洛法的特點主要時對元件出現(xiàn)故障的時間和修復的時間進行抽樣，也就是對元件運行的整個狀態(tài)時間（即元件的使用壽命）進行分析，通過橫向比較，確定各個元件故障出現(xiàn)的早晚，進而回溯出初始故障出現(xiàn)在哪里，而不必對整個系統(tǒng)進行檢修。而非序貫蒙特卡洛法主要是對元件所處狀態(tài)的概率進行抽樣分析，而非對其使用壽命進行統(tǒng)計和分析，這里選用泊松分布對元件故障率進行分析[2]。

某元件發(fā)生m 次故障的概率P（m）符合泊松分布：

式中：λ 為故障率，當元件的壽命符合泊松分布時，則λ 為一個常數(shù)。這里抽取0～1 之間的某個均勻分布的隨機數(shù)β，則判斷元件年故障次數(shù)的公式如下：

3 掘進機電控系統(tǒng)可靠性的定性分析

定性分析主要是利用一些非量化的形式來分析、評價設備的可靠性等，如故障模式及影響分析方法。這里主要是對煤礦掘進機電控系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)及組件的可靠性進行定性分析，進而提出合理的設計建議。系統(tǒng)的可靠性除了受設備本身的質量影響之外，還受到工作環(huán)境以及相關人員素質的影響。這里主要從系統(tǒng)安全性、PLC 可靠性、電磁抗干擾性和環(huán)境適應性四個方面進行分析，并提出設計建議。

3.1 系統(tǒng)安全性設計分析

電控系統(tǒng)是掘進機的重要組成系統(tǒng)，而操作箱又是掘進機運轉的起點，考慮到煤礦環(huán)境中存在有瓦斯、煤塵和粉塵這些易爆物質，所以操作性的防爆措施至關重要，因此防爆處理便是系統(tǒng)安全可靠性設計的第一環(huán)；誤操作的保護設計也至關重要，作為命令的發(fā)起者，牽一發(fā)而動全身，要保證操作命令輸入的正確性，可以在軟件上設計邏輯檢查功能，或者操作的二次確認功能，確保無誤操作，同時也應設計緊急停止功能，使誤操作萬一發(fā)生時可以立刻停止錯誤指令，減小損失，因此誤操作設計及急停設計是系統(tǒng)安全可靠性設計的第二環(huán)；操作箱存在用電行為，就必須保證電氣安全，在用電過程中，短路和斷路現(xiàn)象都會引起極大的隱患，短路現(xiàn)象會引起局部電線或部件過熱，從而引發(fā)電氣火災。斷電現(xiàn)象則會引起某個部件停止工作，如熱敏傳感器或者瓦斯傳感器因局部斷電而失去功能，也將威脅到生產(chǎn)安全，因此過電保護功能的設計便屬于第三環(huán)。

3.2 PLC 可靠性設計分析

PLC 作為掘進機電控系統(tǒng)的核心，主要負責對各類接觸器、繼電器和傳感器信號的收集與處理，并同時向上做出反饋。對于PLC 可靠性的設計主要是確保其作為系統(tǒng)中樞可以正常運轉及正確處理信息，一是其程序可靠性的設計，要結合科學技術的發(fā)展，對其制作工藝及軟件性能進行同步升級，PLC 所選用的主控器為PLVC4，它主要運營STL 進行編程，因此要保證其程序設計符合礦井生產(chǎn)實際，保證其在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理這三個環(huán)節(jié)的準確性和時效性，從而更好地做出反饋；二是其故障應對可靠性設計，主要是在停電、電路異常和恢復供電重啟等情況下的可靠性要求。在這些情況下，就要求PLC 可以及時記錄故障情況、故障的診斷及設備的運行階段等。

3.3 電磁抗干擾設計分析

電控箱把許多電子元件都集中在了一起，包括上面所述的系統(tǒng)中樞——PLC、各類傳感器、接觸器等等，這就會引發(fā)一個值得關注的問題——電磁場，眾多電子元件開始工作后，必然會因此電磁場的混亂，不采取相應的可靠性設計，會影響到各個元件的信號接收能力及精度。這里所采取的措施主要是對PLC 進行單獨分隔，并采用獨立的輸入端口（包括模擬量端口和數(shù)字量端口），從而使得PLC 的數(shù)據(jù)接收不受到感染；同時也要對各個元件進行抗干擾設計，比如對其使用傳輸線路采用屏蔽雙絞電纜，即減少自身所受影響，也減少對PLC 的干擾[3]。

3.4 環(huán)境適應性設計分析

掘進機所處的工作環(huán)境十分惡劣，主要包括切割巖壁時的震動、破碎巖石產(chǎn)生的粉塵、除塵所噴灑的水霧以及空氣流通不暢導致的機械發(fā)熱等，這里主要根據(jù)這幾點進行可靠性分析及設計。

1）震動，主要的措施是進行防震設計，加裝防震裝置，同時也可以在切割部位及電控部件之間增加隔震裝置，減小震動的傳導性；

2）粉塵，粉塵主要會對元器件的精度、靈活性及散熱產(chǎn)生影響，相應的設計則是水霧降塵和重要元件的防塵處理相結合措施，從而保證元件的正常使用；

3）水霧，水霧對于電子元件的影響極大，首先是濕度增加會影響電子元件的靈敏度，使得所采集的數(shù)據(jù)有偏差；其次是水霧與粉塵的結合對于元件本身具有一定的腐蝕性，因此需要采取作業(yè)現(xiàn)場的除濕和電子元件隔水相結合的措施；

4）散熱，掘進機工作環(huán)境處于地下，對于埋深較深以及溫度較高的工作面，使得掘進機在工作時產(chǎn)生的熱量不易散出，進而會影響到線路的安全及元件的精度，因此要對掘進機電控箱內進行散熱和降溫設計[4]。

4 結論

通過定量和定性分析，提出在系統(tǒng)安全性、PLC可靠性、電磁抗干擾性和環(huán)境適應性四個方面的具體建議，對于進一步增強掘進機電控系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。