煤巷綜掘機(jī)電控系統(tǒng)自動化設(shè)計與應(yīng)用

郝躍飛

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司賀西煤礦,山西 呂梁 033300)

0 引言

隨著現(xiàn)階段我國煤礦現(xiàn)代化水平和機(jī)械化率的不斷提高,更多的大型機(jī)械裝備投入礦井用于采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸[1-4]。由于先進(jìn)裝備的引進(jìn)應(yīng)用,礦井運(yùn)煤和出矸作業(yè)形成高效率的流水線形式,不僅極大地降低人工成本,更為職工改善作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)條件提供了安全保障[5-9]。但是設(shè)備技術(shù)的不斷改進(jìn),由自動化向智能化的轉(zhuǎn)變升級,仍然面臨諸多困難[10-12]?；诖?為更加適用于礦井作業(yè)條件和環(huán)境,將汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦使用的EBZ260型綜掘機(jī)原有設(shè)備電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),重新設(shè)計,極大提高了生產(chǎn)作業(yè)線的掘進(jìn)效率。

1 EBZ260型綜掘機(jī)參數(shù)

1.1 綜掘機(jī)硬件配套設(shè)施

EBZ260型綜掘機(jī)的硬件配套裝備主要包括行走部分、支撐部分、掘進(jìn)部分、控制系統(tǒng)、水路液壓系統(tǒng)等部分,其截割搖臂以及滾筒的最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)到80 MPa,根據(jù)搖臂的扭矩,其適用于巷道斷面面積為8～22 m2,最大施工行走坡度為±16°,銘牌顯示基本參數(shù)見表1。

為了便于設(shè)備的拆裝入井和運(yùn)輸,采用模塊化的安裝設(shè)計,具體可將綜掘機(jī)拆解為電機(jī)、行走履帶、截割搖臂、截割頭、減速機(jī)、固定回轉(zhuǎn)臺、液壓缸支撐架和連接管路等部分。綜掘機(jī)的主要控制系統(tǒng)由電控箱、集成操作臺、開關(guān)按鈕箱、傳感器和驅(qū)動電機(jī)等組成,而集成電路板、控制元件等與電控箱為一個整體,采用隔爆式設(shè)計,并與配有顯示裝置和報警裝置的操作面板共同完成對設(shè)備的控制。

1.2 綜掘機(jī)控制系統(tǒng)

雖然EBZ260掘進(jìn)機(jī)在實際生產(chǎn)中通過電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)一定程度的自動化,但相比于現(xiàn)階段的智能化綜合機(jī)械而言,還有一定的差距,其控制精度也存在問題。

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)可以監(jiān)控運(yùn)行中的油溫、油位等異常故障信息,但是在整個集成網(wǎng)絡(luò)中上傳速度、遠(yuǎn)程監(jiān)控和面板報警顯示等功能仍不健全;現(xiàn)有設(shè)備出廠設(shè)計中未留有足夠數(shù)量的通信網(wǎng)絡(luò)接口,造成信號傳輸速度慢,且在后期改進(jìn)擴(kuò)容網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)升級時,無法將其有效改造并入更先進(jìn)的集成系統(tǒng)中;現(xiàn)有電控系統(tǒng)對于常見的過流保護(hù)、過載保護(hù)、失壓保護(hù)等不能有效實現(xiàn)保護(hù),當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備故障時,不能及時反饋進(jìn)行保護(hù)動作;電控系統(tǒng)不能及時將設(shè)備的具體故障點和故障原因進(jìn)行有效排查并上傳,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也不能顯示井下作業(yè)現(xiàn)場的實時信息,在檢修排查過程中,不僅需要耗費人力物力,更耽誤了有限的生產(chǎn)時間,導(dǎo)致檢修效率較低。因此,如何建立更加完善和更加高效的綜掘機(jī)自動化控制系統(tǒng),對于提高礦井安全生產(chǎn)管理水平具有重要的實踐意義。

2 電控系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制要求

根據(jù)MT/T238.3標(biāo)準(zhǔn)要求,以及綜掘機(jī)實際工作環(huán)境,設(shè)計電控系統(tǒng)的具體控制要求:數(shù)據(jù)線可對實時數(shù)據(jù)與故障信號完成快速傳輸;對綜掘機(jī)運(yùn)行期間的主要狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實時檢測,其中包括油箱油位、油溫狀態(tài)、系統(tǒng)電壓、總線模塊、控制面板狀態(tài)、絕緣監(jiān)測、瓦斯檢測等;故障報警后,對于故障原因判斷和報警提示等響應(yīng),并且在故障處理完成后,報警提示自動解除;對行走電機(jī)和截割電機(jī)的狀態(tài)檢測,如過電流、過電壓等狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

在EBZ260型綜掘機(jī)現(xiàn)有電控系統(tǒng)可檢測的故障基礎(chǔ)上,對控制系統(tǒng)進(jìn)行改革升級[3]。主要利用高性能的控制器來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理、傳感器檢測、故障判斷與預(yù)警等功能,并經(jīng)過各種信號指令的收發(fā),顯示在控制大屏上。其中,輸入信號就包括電流信號、電壓信號、溫度報警信號、油位信號、傳感器信號等;而輸出信號則包括故障報警、電機(jī)啟停、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、設(shè)備啟停等。當(dāng)控制處理器接收到相對應(yīng)的信號后,經(jīng)過數(shù)據(jù)信號的分析、計算、判斷,回傳到計算機(jī)終端,從而根據(jù)終端指令判斷,做出設(shè)備啟停、保護(hù)作用、故障報警等動作。

根據(jù)電控系統(tǒng)的控制要求,以及現(xiàn)有的控制結(jié)構(gòu),將整體電控箱電源設(shè)計為24 V的本安型防爆電源,并輔助配備BH-9型4AD保護(hù)功能模塊,根據(jù)功能需要不同,如數(shù)據(jù)處理、信號轉(zhuǎn)換、信號執(zhí)行、指令采集等,將電控模塊進(jìn)行簡化。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 控制系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制器型號參數(shù)選擇

由于綜掘機(jī)生產(chǎn)作業(yè)的環(huán)境具有煤塵大、高溫、潮濕等特點,這種環(huán)境對各種傳感器有一定的銹蝕作用。因此,為滿足環(huán)境適應(yīng)要求,對控制器的型號選擇也要求較高。經(jīng)過分析比對,確定技術(shù)成熟的DCF-1型控制器。定型后,該型控制器采用全封閉太空鋁材料封裝,并且對于防塵、防潮、防震動、防靜電和防電磁干擾等具有優(yōu)良抵抗特性;同樣基于32位高性能的微處理器,主要由CPU和I/O這2個終端部分構(gòu)成,其多個數(shù)據(jù)采集、通信接口也能夠滿足后期擴(kuò)展升級的需要,不需經(jīng)過外部端口接入的增加而構(gòu)建電控系統(tǒng),而較大容量的掉電存儲也能夠確保在故障停電期間實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的任意讀取與存儲。DCF-1型控制器樣品如圖2所示。

圖2 DCF-1型控制器樣品

3.2 信號采集設(shè)計

綜掘機(jī)在截割作業(yè)時,需要采集多種類型的信號以檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常完好,如對電機(jī)的啟停、油溫、油位、電壓、電流等信號采集。針對特定信號,需要采取專門方式進(jìn)行采集,利用CAN總線將采集信號與輸出模塊和控制器進(jìn)行連接,按照圖3所示的信息采集功能架構(gòu)實現(xiàn)控制箱對于信號傳輸?shù)墓δ軘U(kuò)展。當(dāng)綜掘機(jī)的油箱工作溫度達(dá)到預(yù)設(shè)警戒值時,可以通過AT-1A熱阻感溫傳感器實現(xiàn)檢測,其精確誤差可達(dá)到±0.1 ℃,并將信號傳輸至BH9保護(hù)模塊中;采用CSP2-1500V型傳感器檢測工作電壓,將接入電壓快速變壓調(diào)頻至設(shè)備運(yùn)行所需的5 V、12 V等值電壓,從而實現(xiàn)效果檢測;選用IR420-D6型號的檢測儀,在供電回路中可接入兩組繼電器節(jié)點、接觸器閉合節(jié)點,對電機(jī)運(yùn)行過程中的回路是否開斷進(jìn)行檢測,從而實現(xiàn)電機(jī)絕緣信號的采集傳輸。

圖3 信號采集功能架構(gòu)

3.3 CAN總線設(shè)計

CAN總線系統(tǒng)具有明顯的設(shè)計優(yōu)勢,其采用非破壞式的總線仲裁機(jī)制,可有效避免多節(jié)點的數(shù)據(jù)沖突,傳輸速率更是高達(dá)1 Mbit/s,具有更強(qiáng)的糾錯機(jī)制和檢錯能力。改進(jìn)系統(tǒng)后采用CANOpen協(xié)議,提高總線控制的可靠性,多節(jié)點的終端接口,利于后期不同設(shè)備型號配置的更好接入與兼容。在現(xiàn)有綜掘機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將CANOpen總線系統(tǒng)設(shè)計劃分為電控箱和操作箱2部分,并通過雙絞屏線進(jìn)行連接,如圖4所示。其中,電控箱內(nèi)置有24 V總電源、控制器、分布式I/O等,操作箱內(nèi)置有遠(yuǎn)程DI、顯示屏,兩者皆有的光耦隔離則內(nèi)置有保護(hù)通信接口的中繼模塊。

圖4 CAN總線設(shè)計結(jié)構(gòu)

3.4 電控箱設(shè)計

電控箱一般安裝在綜掘機(jī)操作臺的側(cè)后方,其中封裝有控制電路板、元器件、動作元件等,本著安全隔爆的使用設(shè)計原則,將其設(shè)計為上下2個獨立腔體,通過控制線和電纜接線2個端子接線方式進(jìn)行連接。電控箱正視圖如圖5所示。

圖5 電控箱正視圖

電控箱的下方為主腔,設(shè)置有電路熔斷器、保護(hù)裝置、絕緣檢測模塊、變壓器、繼電器、DC電源、交流互感器等器件,且在腔室后壁安裝有耦合儀表和真空接觸器。在主腔室的外殼設(shè)置有接地螺栓和隔離開關(guān),為提高其操作安全性,防止誤動作,還增設(shè)有機(jī)械鎖。主電路板門板裝有撥動式電源啟停開關(guān),采用FX2N-64MR可編程式控制器,以及BH9集成信號轉(zhuǎn)換器等,以此更加優(yōu)化腔體內(nèi)的元器件布局,提高電控箱的使用操作穩(wěn)定性和安全性。

3.5 電氣系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.5.1 主程序控制設(shè)計

電氣系統(tǒng)的主程序編程軟件主要采用符合IEC國標(biāo)的PROSYD 1131軟件,可支持主流普適的編程語言,其具有豐富功能的指令程序和快速計算能力,如比較函數(shù)、循環(huán)函數(shù)、賦值函數(shù)、定時器函數(shù)、移位函數(shù)、計算器函數(shù)、浮點數(shù)運(yùn)算函數(shù)、PID函數(shù)等的計算功能,除既定設(shè)置的函數(shù)計算程序,用戶也可以根據(jù)實際需要進(jìn)行自行設(shè)定函數(shù)編程,極大縮短開發(fā)調(diào)試公式的時間[5]。此外,為便于在線診斷及實時監(jiān)控,程序開發(fā)人員允許用戶在硬件連接運(yùn)行時保持?jǐn)?shù)據(jù)的在線修改功能,同時以圖形、文本形式記錄并存儲修改數(shù)據(jù)的變化內(nèi)容。如圖6所示,當(dāng)指令程序?qū)崿F(xiàn)開始后,會出現(xiàn)延遲5S的保護(hù)開機(jī),進(jìn)而依次顯示初始化程序、系統(tǒng)的管理狀態(tài)、電機(jī)管理程序,直到啟動設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判斷處理這一程序欄。

圖6 主程序控制系統(tǒng)啟動設(shè)計

3.5.2 子程序控制設(shè)計

系統(tǒng)子程序的軟件設(shè)計主要通過發(fā)送和接收PDO映射管理,以讀取各項設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),當(dāng)程序啟動后,依次對警報控制器、通信模塊、系統(tǒng)電壓、瓦斯監(jiān)測等信號的輸入與輸出進(jìn)行檢測讀取,并將運(yùn)行狀態(tài)的檢測結(jié)果顯示在監(jiān)測屏幕上。子程序控制系統(tǒng)啟動設(shè)計如圖7所示。

圖7 子程序控制系統(tǒng)啟動設(shè)計

4 改造效果應(yīng)用分析

為驗證系統(tǒng)改造后的應(yīng)用效果,對安裝新型電控系統(tǒng)的綜掘機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)實踐論證,經(jīng)過運(yùn)行參數(shù)的采集對比,以及實際測試如圖8所示。

圖8 EBZ260綜掘機(jī)運(yùn)行參數(shù)顯示面板

對綜掘機(jī)運(yùn)行中的三相電流、進(jìn)載電壓、油溫、油位等參數(shù)進(jìn)行檢測,未發(fā)現(xiàn)明顯波動異常,整體穩(wěn)定性、可靠性較高,能夠滿足掘進(jìn)需要。

當(dāng)出現(xiàn)異常故障時,系統(tǒng)可以自動調(diào)整至故障界面,并在顯示屏上以特定信號或文字形式顯示故障點以及合理的處理方式。尤其針對油泵電機(jī)、截割電機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)二運(yùn)電機(jī)、皮帶減速電機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)異常故障跳電時,也會快速做出反應(yīng),及時反饋電機(jī)的故障原因,便于提高檢修效率。

升級系統(tǒng)后還支持故障界面的歷史數(shù)據(jù)查詢,最多可記錄故障信息40條左右,便于讀取分析故障類型和發(fā)生概率,從而提高設(shè)備檢修維護(hù)的重點,已處理完成的故障辨識為綠色,待處理和未完成故障顯示紅色。

升級系統(tǒng)后還可將綜掘機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與終端相連接,導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性分析研究,找出故障規(guī)律,提高檢修效率,從而不斷完善系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備的改造升級。

5 結(jié)語

在現(xiàn)有EBZ260型綜掘機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級,重新整理設(shè)計架構(gòu),以DCF-1型控制器為藍(lán)本,采用CANOpen總線系統(tǒng)設(shè)計使得硬件設(shè)施運(yùn)行更加流暢可靠,在軟件設(shè)計方面,采用PROSYD 1131軟件實現(xiàn)了良好的人機(jī)互動效果,界面設(shè)計更加簡潔,自動化控制程度更高,在對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的各項參數(shù)檢測環(huán)節(jié)中,能夠更快速識別故障點,提供最優(yōu)解決方案,提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。