礦用掘進機電控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

王 列，殷 華

(國家能源集團 寧夏煤業(yè)公司靈新煤礦，寧夏 靈武 751400)

掘進機是用于煤礦巷道掘進工作的重要設(shè)備。礦用掘進機的良好作業(yè)是提高煤礦開采效率[1]及作業(yè)安全的關(guān)鍵。電氣控制系統(tǒng)是掘進機中的核心系統(tǒng)，為提高掘進機工作效率，加強智能礦井建設(shè)，電氣控制系統(tǒng)綜合性能的升級研究已成為當(dāng)下掘進機設(shè)備的重要研究方向[2-3]。在現(xiàn)有準備的基礎(chǔ)上，通過電氣控制系統(tǒng)升級改造來滿足現(xiàn)有生產(chǎn)的需求，已成為一種經(jīng)濟、快捷、高效的技術(shù)路線[4-5]。EBZ260型懸臂式掘進機是由一款常用的懸臂式掘進機，屬重型掘進機，具有截割穩(wěn)定性好，截割能力強，承載能力大，安全系數(shù)高等特點，其電氣系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，預(yù)留電源和各種通信接口，便于實現(xiàn)各種控制、監(jiān)測、故障診斷等功能升級[6]。

在EBZ260型懸臂式掘進機電控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計其電氣控制系統(tǒng)，并安裝到掘進設(shè)備進行了應(yīng)用測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制性能優(yōu)良，能滿足掘進機的使用需求，提高了作業(yè)效率、增強了作業(yè)穩(wěn)定性。

1 EBZ260型懸臂式掘進機概況

1.1 EBZ260型懸臂式掘進機硬件概況

EBZ260型懸臂式掘進機外觀如圖1所示。

圖1 EBZ260 掘進機外觀Fig.1 Appearance of EBZ260 roadheader

其主要由掘進部分、行走部分、控制系統(tǒng)、支撐部分、液壓部分、水路部分等組成，其主要功能參數(shù)見表1。該掘進機可截割單向抗壓強度≤80 MPa的煤巖，適用巷道斷面面積8～20 m2、最大可行走坡度為±16°，同時，它采用模塊化設(shè)計，便于拆裝和運輸，是當(dāng)前主流的掘進設(shè)備。掘進部分是該設(shè)備主要作業(yè)部分，主要由電機、減速器、截割臂、截割頭、固定架等組成。而控制系統(tǒng)則由電控箱、操作箱、按鈕控制箱、驅(qū)動電機、傳感器等組成，其中，電控箱采用了隔爆型設(shè)計，由鋼結(jié)構(gòu)通過焊接方式組成，其中包含各類元器件及控制部件，控制著整套系統(tǒng)的運行。另外，操作箱面板上配備了多個指示燈、開關(guān)按鈕等，實現(xiàn)了電壓等信號及命令的可實時顯示。

表1 EBZ260型懸臂式掘進機重要參數(shù)Tab.1 Important parameters of EBZ260 boom roadheader

1.2 EBZ260型懸臂式掘進機控制系統(tǒng)狀態(tài)分析

EBZ260掘進機雖然實現(xiàn)了電氣控制，但在實際運用過程中，自動化程度較低，電氣系統(tǒng)控制仍存在一些問題。隨著當(dāng)前自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，EBZ260掘進機已逐步向自動化及智能化方向進行升級改進，但在實際使用過程中仍存在自動化程度低、控制精度較差等問題。①當(dāng)前掘進機控制系統(tǒng)雖基本實現(xiàn)了對設(shè)備運行中的高溫、油位過低等故障異常的報警提示，但存在報警響應(yīng)速度較慢且無法實現(xiàn)故障信息實時傳輸、遠程監(jiān)控及顯示的控制操作；②當(dāng)前控制系統(tǒng)在通信接口方面設(shè)計得相對較少，通信傳輸速度較慢，較難在現(xiàn)有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行升級擴展，也無法將更加先進的控制命令集成到當(dāng)前系統(tǒng)中；③控制系統(tǒng)較難實現(xiàn)對設(shè)備過壓保護、過流保護、轉(zhuǎn)速過高保護等方面有效保護，如設(shè)備出現(xiàn)此問題，無法通過控制系統(tǒng)對故障進行實時排出及執(zhí)行相關(guān)的控制保護功能；④控制系統(tǒng)無法將設(shè)備出現(xiàn)的故障類型及故障發(fā)生位置通過遠程監(jiān)控平臺進行遠程顯示及控制，人員在故障排除過程中將耗費大量時間及成本，且由于井下環(huán)境的惡劣性，增加了井下作業(yè)的危險性。因此，將當(dāng)前更加成熟的控制技術(shù)應(yīng)用到掘進機的自動化控制中，實現(xiàn)設(shè)備更加智能化的遠程操作控制已成為當(dāng)前提高設(shè)備作業(yè)效率及安全性的重要任務(wù)。

2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 電控系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)掘進機工作環(huán)境及狀態(tài)，結(jié)合 MT/T238.3 標(biāo)準，梳理出以下電控系統(tǒng)控制要求：①總線通信設(shè)備能夠快速的向控制器發(fā)送實時數(shù)據(jù)和接收控制信號。②能夠?qū)C電控制系統(tǒng)進行檢測，包括系統(tǒng)電壓檢測、油溫油位檢測、操作箱狀態(tài)檢測、總線模塊狀態(tài)檢測、絕緣檢測、瓦斯檢測。③在檢測到故障后，系統(tǒng)能故障的類型做出不同的響應(yīng)。故障處理完成后，點擊復(fù)位清除故障報警。④對電機的狀態(tài)進行檢測，同時記錄電機的運行情況進。

2.2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框架

結(jié)合現(xiàn)有EBZ260型掘進機控制系統(tǒng)使用中存在的各類故障，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)上，對該控制系統(tǒng)進行了改進研究。該系統(tǒng)以高性能控制器為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器檢測、數(shù)據(jù)處理、運行狀態(tài)判斷、故障處理等。能夠接收各種操作指令，在人機界面顯示相關(guān)信息?？刂破鞯妮斎胄盘栔饕ú僮飨浒粹o的操作信號、各種電流電壓信號、溫度信號以及泄漏信號、油位、氣體傳感器信號等。輸出信號包括電機啟停、電機漏電、故障報警、設(shè)備啟停等信號?？刂葡到y(tǒng)中的處理器在接收到相關(guān)信號后，對數(shù)據(jù)進行分析、運算及判斷，在向顯示終端發(fā)出命令同時，向掘進機中的執(zhí)行機構(gòu)進行控制命令輸出，以實現(xiàn)對掘進機的高速切削啟動/停止、電機保護、電機啟停、故障及語音報警等。

結(jié)合控制要求和現(xiàn)有電氣控制結(jié)構(gòu)，改進后的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框架如圖2所示。整體采用24V電源隔爆兼本安型電控箱，以BH-9型4AD模塊為檢測集成器實現(xiàn)保護功能。為簡化現(xiàn)有控制系統(tǒng)的電路，將電控模塊分為數(shù)據(jù)處理模塊、信號執(zhí)行模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4個模塊，實現(xiàn)模塊化。另外，將原有按鍵式顯示屏改為觸屏式的顯示屏；增加了對掘進機漏電情況、井下瓦斯?jié)舛惹闆r等相關(guān)參數(shù)的實時顯示；為方便后期的檢查和維修，將多種電壓平臺統(tǒng)一改為220 V電壓。

圖2 新型電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框架Fig.2 Structure frame of new electrical control system

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制器的選擇

掘進機主要在煤礦巷道等空氣濕度大，浮游雜質(zhì)含量高，充滿腐蝕性氣體的環(huán)境中工作[7]。故選用了市場上成熟的 DCF-1型控制器。此 DCF-1型控制器是專業(yè)用于工程車輛的控制單元，以高性能的微處理器為核心，擁有豐富的數(shù)據(jù)采集、控制和通信接口，基本不需要擴展輸入輸出模塊或通信模塊就能實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，可簡化掘進機電控系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，采用太空鋁外殼封裝，具有防塵、防水、防電磁干擾、防震等特性，已經(jīng)被多種工程機械采用。結(jié)合掘進機現(xiàn)場工作環(huán)境和系統(tǒng)要求，選用 DCF-1控制器(圖 3)。DCF-1型控制器采用 32 位微處理器核心，由CPU 端和 I/O 端2部分構(gòu)成，具有多個通信接口，可實現(xiàn)豐富的數(shù)據(jù)采集，在不擴展外圍接口的情況下就能實現(xiàn)電控系統(tǒng)的基本搭建。此外，該控制器還擁有掉電存儲區(qū)，保證了斷電后數(shù)據(jù)的保存及讀取。

圖3 DCF-1控制器Fig.3 DCF-1 controller

3.2 信號采集系統(tǒng)設(shè)計

掘進機在運行過程中，需要實時采集較多種類的運行信號，如電機功率及轉(zhuǎn)速、設(shè)備溫度等。針對不同參數(shù)，信號采集需要分別設(shè)計。通過CAN 總線實現(xiàn)信號采集及驅(qū)動輸出模塊與控制器之間的連接，其功能架構(gòu)如圖4所示。掘進機工作溫度采用AT-1A熱電阻溫度傳感器進行采集，檢測精度達到0.1 ℃，并能夠?qū)崟r傳輸至保護模塊BH9中；設(shè)備的工作電壓采用CSP2-1500V型變壓器針進行監(jiān)測，它能將外界電壓快速轉(zhuǎn)為設(shè)備運行所需的5、12 V等電壓值，實現(xiàn)了對電壓平臺的動態(tài)檢測。為采集離線狀態(tài)電機負載的絕緣電阻，采用絕緣監(jiān)視儀 IR420-D6并在檢測回路分別串入了2組檢測繼電器節(jié)點和接觸器常閉節(jié)點，從硬件和軟件2方面入手保證絕緣監(jiān)視儀的離線使用，從而確保電機運行時檢測回路能可靠的斷開。由此完成了對掘進機控制系統(tǒng)中信號采集部分的設(shè)計。

圖4 主功能架構(gòu)Fig.4 Main function architecture

3.3 CAN總線系統(tǒng)設(shè)計

CAN 總線優(yōu)勢明顯，如傳輸速率高，最高可達 1 Mbit/s；采用非破壞式總線仲裁，避免了多節(jié)點數(shù)據(jù)的沖突；檢錯機制和錯誤處理機制有效可靠；總線利用率極高[8-9]。因此，本設(shè)計采用 CANOpen協(xié)議，既避免多數(shù)據(jù)節(jié)點沖突，實現(xiàn)可靠有效的總線控制，也很方便后續(xù)對其他廠家不同設(shè)備的配置。結(jié)合現(xiàn)有礦用掘進機電控系統(tǒng)，此次設(shè)計的CANOpen總線系統(tǒng)由括操作箱和電控箱組成以雙絞屏蔽線連接[10]，通信架構(gòu)圖如圖5所示。操作箱內(nèi)有電阻、遠程DI、顯示屏和光耦隔離模塊，電控箱內(nèi)部有分布式I/O、控制器、24 V電源模塊、光耦隔離模塊等，其中光耦隔離中繼模塊用于保護所有設(shè)備的通信口。

圖5 CANOpen 通信架構(gòu)Fig.5 CANOpen communication architecture

3.4 電氣控制箱設(shè)計

電氣控制箱安裝在掘進機機身后方，電控箱去蓋板后正視圖如圖6所示。

圖6 電控箱去蓋板后正視圖Fig.6 Front view of electric control box after removing cover plate

其中安裝有控制元件、電路板、各類動作元件等部件。整個箱體由2個腔體組成，按照隔爆型和安全型原則，上下獨立，采用防爆接線端子連接。位于上方的接線腔內(nèi)設(shè)有2個接線端子，分別為控制線、電纜接線端子，外部連有引入裝置。下方為主腔，主腔底部裝有變壓器、控制電路熔斷器、繼電器、保護裝置、接線端子、絕緣監(jiān)測模塊、DC電源、電流互感器和控制器，主室后壁裝有真空接觸器和耦合儀表。主腔體外殼上設(shè)有隔離開關(guān)手柄和接地螺栓。在門板上增加了機械聯(lián)鎖，可實現(xiàn)開關(guān)不在停止位置時禁止開門的功能。主電路板采用防脫螺栓固定結(jié)構(gòu)設(shè)計，門板增加開關(guān)電源、FX2N-64MR可編程控制器、BH9集成信號轉(zhuǎn)換裝置等設(shè)備。通過這種改進設(shè)計，電氣控制箱的布局更加合理，部件和連接器分離良好，可以有效提高箱內(nèi)部件在使用過程中的穩(wěn)定性和安全性。

3.5 電氣系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.5.1 軟件主程序設(shè)計

當(dāng)今，數(shù)字出版物越來越受人關(guān)注和青睞，數(shù)字閱率整體上升迅猛，各家出版單位競相朝這個方向發(fā)展，究其原因是它的優(yōu)勢所趨。數(shù)字出版物最突出的優(yōu)點是便捷、環(huán)保，這一特點非常符合現(xiàn)在社會的發(fā)展理念。數(shù)字出版物給讀者帶來的便捷是有目共睹的，相對于紙質(zhì)圖書，其成本低、存儲量大、攜帶方便，深受廣大讀者的喜愛。對出版者而言，電子圖書可以實現(xiàn)零庫存，減少了人力、物力、財力，從而節(jié)約了成本。

編程軟件采用PROSYD 1131。PROSYD 1131是INTER CONTROL公司基于CODESYS開發(fā)的編程軟件，可用于INTER CONTROL digsy控制器和顯示器。和CODESYS一樣，PROSYD 1131符合IEC國際標(biāo)準，支持主流編程語言。其主界面如圖7所示。

圖7 PROSYD 1131 主界面Fig.7 Main interface of PROSYD 1131

它具有完整而豐富的功能指令，提供了開發(fā)和設(shè)計所需的位邏輯、整數(shù)、浮點數(shù)運算函數(shù)、比較函數(shù)、賦值函數(shù)、移位函數(shù)、循環(huán)函數(shù)、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)、定時器函數(shù)、計數(shù)器函數(shù)、PID函數(shù)等豐富的功能指令集。此外，用戶還可以根據(jù)自己的需要編寫函數(shù)塊、子例程、庫文件等，在計算機上進行離線仿真，不需要使用硬件進行調(diào)試，從而大大減少了開發(fā)調(diào)試時間。最后，它還具有在線診斷和監(jiān)控功能，允許開發(fā)人員在仿真或連接的硬件在線運行時在線修改數(shù)據(jù)，并以圖形或文本的形式顯示程序的運行和數(shù)據(jù)的變化。主程序分為4個部分，包括初始化程序、系統(tǒng)狀態(tài)管理程序、電機管理程序和運行狀態(tài)判斷處理程序。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程Fig.8 Flow chart of main program

3.5.2 初始化子程序設(shè)計

初始化子程序主要包括CANOpen設(shè)備的管理，發(fā)送PDO和接收PDO的映射管理，系統(tǒng)各種參數(shù)的讀取，其流程如圖9所示。系統(tǒng)狀態(tài)管理過程監(jiān)控和管理各系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括報警控制器的輸入和輸出，通信模塊的檢測網(wǎng)站系統(tǒng)的輸入電壓的檢測，泄漏檢測的低電壓電路、外圍氣體傳感器的輸入檢測等。電機管理子程序是采集并計算電機的電流和溫度，然后管理電機的狀態(tài)，計算油泵和切割電機的運行時間。行狀態(tài)判斷處理程序根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)、電機的運行狀態(tài)和用戶的按鈕控制綜合判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，然后根據(jù)運行狀態(tài)切換顯示屏幕。

圖9 初始化程序流程Fig.9 Flow chart of initialization procedure

4 實際使用效果分析

為進一步掌握系統(tǒng)的運行效果，將改進后的EBZ260掘進機電氣控制系統(tǒng)安裝在掘進機設(shè)備中，開展了為期1個月的現(xiàn)場應(yīng)用測試。

圖10 EBZ260掘進機設(shè)備運行界面Fig.10 Operation interface of EBZ260 roadheader

(2)當(dāng)故障發(fā)生時，系統(tǒng)會自動切換到故障界面。故障系統(tǒng)界畫主要顯示故障位置及其相應(yīng)的處理辦法。此外還專門設(shè)計了針對電機的故障顯示界面，當(dāng)電機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時會跳轉(zhuǎn)到該界面。該界面顯示了油泵電機、高速電機結(jié)構(gòu)、低速電機、二運電機以及噴霧電機5個電機的具體情況，并為每個電機設(shè)置了6個節(jié)點，當(dāng)任意一個節(jié)點出現(xiàn)問題時，該節(jié)點的燈就會亮起，提示出現(xiàn)異常。

(3)系統(tǒng)還支持歷史數(shù)據(jù)查詢，用戶可通過按鍵進入到歷史故障界面。在歷史故障界面，最多可以查詢到最近40條歷史故障信息。在故障歷史界面，可通過上下頁進行翻頁，正在發(fā)生的故障顯示為紅色，已經(jīng)解除的歷史故障顯示為綠色。此外電機總運行時間也可查詢。

(4)該系統(tǒng)支持對掘進機運行參數(shù)進行快速保存，并且支持將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。用戶可根據(jù)自己的實際需求，將導(dǎo)出數(shù)據(jù)，繪制曲線，方便后續(xù)觀察掘進機的工作狀態(tài)以及進一步研究。

(5)該系統(tǒng)得到了現(xiàn)場工作人員的認可，一致認為可在多種掘進機上推廣實驗該系統(tǒng)。

5 結(jié)語

在當(dāng)前常用的EBZ260型掘進機上進行電氣控制設(shè)計研究，對掘進機的電控系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的研究和整理。總結(jié)出掘進機電控系統(tǒng)的基本控制要求，在基本控制要求的EBZ260掘進機系統(tǒng)現(xiàn)有架構(gòu)上，重設(shè)了整體架構(gòu)。將硬件系統(tǒng)進行了設(shè)計，根據(jù)工作環(huán)境和性能要求選擇了DCF-1作為核心IC控制器。采用CANOpen總線使整個電控系統(tǒng)模塊化同時更加可靠穩(wěn)定，采用IEC標(biāo)準語言設(shè)計了機電系統(tǒng)的軟件，并經(jīng)過整理設(shè)計出良好的人機交互界面。設(shè)計出了一套自動化程度高，可靠穩(wěn)定的電氣控制技術(shù)。將該技術(shù)運用于實際，掘進作業(yè)中診斷各項功能運行正常，自動化診斷能力顯著提升，更好地實現(xiàn)了對掘進機運行過程中的診斷監(jiān)測，提升了掘進機的作業(yè)效率以及作業(yè)穩(wěn)定性。