交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

何 博,羅志朋,謝 建,顏宏彪

(湖南煤礦機(jī)械有限公司,湖南 婁底 417000)

0 引言

當(dāng)前,我國(guó)的能源需求仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì),盡管煤炭在能源消費(fèi)總量中的占比不斷下降,但其仍是我國(guó)能源供應(yīng)的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”。我國(guó)急傾斜煤層儲(chǔ)量大約占煤炭總儲(chǔ)量的17%。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)626處國(guó)有重點(diǎn)煤礦和地方煤礦中,開采急傾斜煤層的礦井有103處,占16.5%。以貴州省為例,2020年全省仍有4%煤礦難以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)械化。而急傾斜煤層開采難度大,迫切需要研發(fā)新的安全、高效、綠色開采方法。

本文針對(duì)急傾斜煤層的開采難點(diǎn),設(shè)計(jì)開發(fā)了一種交流電牽引采煤機(jī),為提高該型交流電牽引采煤機(jī)的綜合性能,仍需配套開發(fā)一種穩(wěn)定性高、保護(hù)完善、操作方便的交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)。采煤機(jī)電控系統(tǒng)的研究主要集中在其控制技術(shù)、通信技術(shù)及軟件技術(shù)[1-3]。周旭[4]基于西門子S7-300PLC的EML340型連續(xù)采煤機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的較強(qiáng)抗干擾能力和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力。王鵬[5]提出了基于PLC和Win CC的采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),詳細(xì)闡述了該自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、控制功能、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各核心單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體要求,最后證明該監(jiān)控系統(tǒng)可提高采煤機(jī)運(yùn)行的可靠性。趙欣等[6]針對(duì)基于PLC的電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)控制系統(tǒng)體積較大、功能簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性差、安裝走線繁瑣、抗震動(dòng)性能弱等問題,設(shè)計(jì)了一種新型的嵌入式電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)。邢程等[7]針對(duì)電磁調(diào)速器的特點(diǎn)、DSP豐富的外設(shè)資源和高速運(yùn)算能力來進(jìn)行外圍硬件電路的設(shè)計(jì),提出了用TMS320F2812控制采煤機(jī)速度的方法,給出了控制器的硬件框圖和外圍電路和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。大量學(xué)者針對(duì)采煤機(jī)電控系統(tǒng)的升級(jí)改造進(jìn)行了長(zhǎng)期研究,本文在前人的基礎(chǔ)上,針對(duì)自主研發(fā)的交流電牽引采煤機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)了一套機(jī)電控制系統(tǒng),期望能夠提高采煤機(jī)的擴(kuò)展性、靈活性和適應(yīng)性,從而提高工作面的生產(chǎn)效率。

1 交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)組成

與常規(guī)長(zhǎng)壁采煤機(jī)不同,交流電牽引采煤機(jī)是針對(duì)急傾斜煤層所研發(fā)的新型采煤機(jī)械。在運(yùn)行邏輯、力學(xué)環(huán)境、割煤方式、控制方式等方面與常規(guī)長(zhǎng)壁采煤機(jī)存在本質(zhì)差異。而采煤機(jī)電控系統(tǒng)是采煤機(jī)的大腦,負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境、獲得作業(yè)參數(shù),控制著采煤機(jī)的運(yùn)行邏輯。交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)主要由隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱、瓦斯斷電儀、本質(zhì)安全型遙控系統(tǒng)、隔爆型電纜滾筒等部分組成。交流電牽引采煤機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其最典型的特征是將傳統(tǒng)常規(guī)長(zhǎng)壁采煤機(jī)的垂直滾筒截割部改為水平刨煤滾筒。圖2為交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)框圖。

圖1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2 交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)框圖

2 交流電牽引采煤機(jī)主要控制部件

2.1 隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱

隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱作為交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)的控制核心,其內(nèi)部控制器選用西門子S7-1200系列PLC,該型PLC具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、占用空間小、模塊化配置靈活、通信接口豐富、擴(kuò)展能力強(qiáng)、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)的需求。PLC通過RS485通信與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)時(shí)讀取變頻器的當(dāng)前狀態(tài)和故障。

控制箱內(nèi)裝有采煤機(jī)專用變頻器,用于驅(qū)動(dòng)交流電牽引采煤機(jī)的牽引電機(jī),實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)行走無極調(diào)速。采用該型變頻器驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引電機(jī)的過載、缺相、堵轉(zhuǎn)、短路、失速、接地故障等保護(hù)功能和采煤機(jī)供電電源的電壓過低/高、缺相等保護(hù)功能。另外,控制箱內(nèi)裝有LCL濾波電路以提高變頻器功率因數(shù)、降低變頻器對(duì)外界的電磁干擾。

選用7寸觸摸屏作為人機(jī)界面(HMI),與PLC通過RS485通信交換數(shù)據(jù),用于顯示采煤機(jī)電控系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù),如電控系統(tǒng)故障記錄、截割電機(jī)電流、截割電機(jī)溫度、牽引電機(jī)電流、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速、牽引電機(jī)溫度、給定牽引速度、實(shí)際牽引速度、IGBT溫度、遙控系統(tǒng)按鍵狀態(tài)、采煤機(jī)運(yùn)行條件等。

采用真空接觸器和電機(jī)綜合保護(hù)器驅(qū)動(dòng)截割電機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)截割電機(jī)的啟/停控制和過載保護(hù);截割電機(jī)的溫度保護(hù)觸點(diǎn)接入PLC,實(shí)現(xiàn)對(duì)截割電機(jī)的溫度保護(hù)?？刂葡鋬?nèi)含電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)控制電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)的啟/?？刂坪拖嚓P(guān)電機(jī)的過載保護(hù)?？刂葡鋬?nèi)裝控制變壓器、開關(guān)電源、本安電源,給采煤機(jī)電控系統(tǒng)提供所需的交流220 V、直流24 V和5 V本安電源。

2.2 瓦斯斷電儀

瓦斯斷電儀主機(jī)安裝于控制箱內(nèi)部,由控制箱內(nèi)部配電回路供電,其常閉觸點(diǎn)串入控制箱引出的先導(dǎo)回路,實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛冗^高時(shí)采煤機(jī)自動(dòng)整機(jī)斷電。瓦斯斷電儀配套的本質(zhì)安全型瓦斯?jié)舛忍筋^安裝于采煤機(jī)機(jī)身,實(shí)時(shí)檢測(cè)采煤機(jī)工作環(huán)境內(nèi)的瓦斯?jié)舛取?/p>

2.3 本質(zhì)安全型遙控系統(tǒng)

本質(zhì)安全型遙控系統(tǒng)由本質(zhì)安全型遙控接收器和本質(zhì)安全型遙控發(fā)射器組成,遙控接收器安裝于采煤機(jī)機(jī)身、裝有控制按鈕,由控制箱提供本質(zhì)安全型電源,通過CAN通信與PLC間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割、牽引和電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)的啟?？刂坪蜖恳?減速等操作。遙控發(fā)射器由采煤機(jī)操作人員持有,實(shí)現(xiàn)了采煤工作面復(fù)雜工況下,對(duì)采煤機(jī)較遠(yuǎn)距離的無線操控。

2.4 隔爆型電纜滾筒

隔爆型電纜滾筒用于采煤機(jī)行走時(shí)收/放主電纜,由小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況選擇安裝于采煤機(jī)機(jī)身上或工作面巷道內(nèi)。

3 程序設(shè)計(jì)

采煤機(jī)電控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)與HMI畫面組態(tài)。電控系統(tǒng)上電后,系統(tǒng)先執(zhí)行初始化工作,即PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的配置參數(shù)對(duì)PLC本體和各模塊、通信接口進(jìn)行配置,將數(shù)據(jù)區(qū)、計(jì)數(shù)器清零及系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)賦值,繼電器置位或復(fù)位。系統(tǒng)初始化完成后,人機(jī)界面顯示為初始狀態(tài)。然后開始執(zhí)行控制程序,包括截割電機(jī)控制、牽引電機(jī)控制、電纜滾筒控制、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)控制、AI/AO處理、HMI通信與數(shù)據(jù)處理、變頻器通信與數(shù)據(jù)處理、遙控器通信與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)保護(hù)功能等子程序。圖3所示為PLC程序總流程圖,圖4所示為截割控制子程序流程圖,牽引、電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)的控制子程序與截割控制子程序流程圖類似,未再一一列出。

HMI畫面組態(tài)時(shí),應(yīng)使用直觀、醒目的圖形或文字顯示系統(tǒng)重要的狀態(tài)量和故障,便于操作人員實(shí)時(shí)查看采煤機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)、有助于維修人員即時(shí)處理采煤機(jī)故障。

圖3 PLC程序總流程示意

4 交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)用

該交流電牽引采煤機(jī)電控系統(tǒng)歷經(jīng)改進(jìn),性能成熟、操作方便、可靠性高。萬(wàn)順煤礦12501工作面經(jīng)過90天的試采,采用該電控系統(tǒng)采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采煤以來月生產(chǎn)原煤2.8萬(wàn)噸,最高班產(chǎn)達(dá)到500 噸,工作面采用偽傾斜采煤方法,提高煤炭的自溜性能,提高工作面的生產(chǎn)效率。在整個(gè)運(yùn)行的期間,配備該機(jī)電控系統(tǒng)MG25/50-TPD型交流電牽引采煤機(jī)采用雙牽引鏈行走機(jī)構(gòu),采煤機(jī)穩(wěn)定性好,牽引力大,運(yùn)行既快又穩(wěn),完全滿足交流電牽引采煤機(jī)在偽傾斜工作面工況條件下作業(yè)的需要,該成果對(duì)未來采煤機(jī)電控系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)提供了較好的借鑒。

5 結(jié)語(yǔ)

MG100/140-TPD型交流電牽引采煤機(jī)取證后在萬(wàn)順煤礦采煤工作面實(shí)地運(yùn)行,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用論證,該型采煤機(jī)的電控系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)預(yù)期,能夠完成對(duì)我司生產(chǎn)的MG100/140-TPD型交流電牽引采煤機(jī)的精確和穩(wěn)定控制、能夠較大程度提高急傾斜采煤工作面的機(jī)械化和自動(dòng)化水平。