綜采工作面用拖纜箱電氣系統設計

王青松

(山西晉煤集團 陽城晉圣上孔煤業有限公司， 山西 晉城 048100)

0 引言

綜采工作面的采煤機在工作時，需要在刮板輸送機上循環往復運動。由于采煤機上電動機需要連接電纜為其供電。其連接采煤機電纜的長度會隨時發生變化，采煤機在機頭位置時，電纜長度最短，隨著采煤機的運動，電纜的長度會慢慢變長，直至采煤機運行到機尾位置，電纜長度達到最長。采煤機回程時，電纜長度會慢慢變短，直至采煤機運行到機頭位置，電纜長度達到最短[1]。因此，在采煤機的一個往復運動中，電纜長度由短變長，進而又由長變短。在采煤機工作中，電纜是是十分重要的輔助設備，經常會出現電纜被拉斷，造成采煤機直接停機的情況。因此，電纜的有效管理成為采煤機正常工作的一個關鍵因素。為此,設計拖纜箱，控制電纜與采煤機形成速度匹配，為采煤機提供可靠電源保證。

1 設計總體要求

1) 系統輸入電壓為AC1140/660V,拖纜箱的電動機功率為20 kW，利用變頻器對電動機進行控制，變頻器采用水冷的冷卻方式。

2) 實現拖纜部與采煤機的協同控制，工作時拖纜箱根據采煤機的牽引速度，實時改變電纜長度。

3) 拖纜箱裝載在綜采工作面的設備列車上,該拖纜箱應具備完善的電氣保護功能,有顯示運行參數以及故障信息的人機界面,配備TCP/IP網絡接口，能與煤礦井下主網連通，并具備無線Wi-Fi發送數據接口。

2 硬件設計

根據設計要求，綜采工作面用拖纜箱硬件設計中主要用到的電氣元器件包括斷路器、變壓器、變頻器、絕緣監視器、PLC控制器以及顯示屏等，硬件清單如表1所示[2-3]。

表1 拖纜箱電氣系統硬件清單

綜采工作面用拖纜箱的硬件設計分為主回路電氣系統設計以及控制系統設計兩方面。

1) 主回路設計。主回路電氣系統設計原理見圖1所示。斷路器的操作方式采用手動操作方式，供電電源經變壓器后為變頻器供電，由變頻器直接驅動電動機工作，同時采用絕緣監視模塊監視漏電情況。另外，在電動機上U、V、W相各安裝一個霍爾型電流傳感器，將測量的電流值輸入PLC控制器，用于對電動機進行過載、過流、粘連等保護。

2) 控制系統設計。控制回路的核心是PLC控制器以及其擴展模塊，電動機的起/停，加速、減速以及急停等操作都由PLC控制器經過邏輯處理后驅動。PLC控制器與變頻器之間采用CAN通信進行數據傳送，并由變頻器直接驅動拖纜電動機。PLC控制器與HMI人機界面之間也采用CAN通信進行數據交互[4-5]。為保障CAN通信質量，必須增加CAN通訊隔離柵,對CAN信號進行隔離，并采用屏蔽雙絞線，屏蔽層必須接地。為了使該電氣系統的所有數據以無線傳輸的方式發送給綜采工作面集中控制中心，增加CAN轉Wi-Fi模塊，將CAN通信數據轉變成Wi-Fi無線信號。控制系統見圖2所示。

圖1 主回路電氣系統

圖2 控制系統框圖

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

拖纜箱PLC主程序流程如圖3所示。

圖3 PLC主程序流程

1) “初始化”主要完成對PLC程序中用到的變量的初始化，布爾型變量初始為False，非布爾型變量初始為0。

2) “CAN通信建立過程”主要完成PLC控制器與變頻器以及與人機界面的CAN通信的建立過程，該過程嚴格按照CAN通信協議規定的流程以及參數配置進行建立。

3) “電動機保護/起動流程”主要完成對電動機的過載、過流、粘連等保護動作以及檢測電動機起動條件，在滿足條件的情況下起動電動機。

4) “與變頻器數據處理”主要完成PLC控制器與變頻器之間的CAN通信數據、指令的交互。

5) “與人機界面數據處理”主要完成PLC控制器發送拖纜箱運行時的參數信息以及故障指示，由人機界面進行畫面顯示。

拖纜箱需保證采煤機在運行時線纜的長度保持在預期范圍內。故在采煤機運行時，拖纜箱必須跟隨采煤機運動，即拖纜箱與采煤機的預期速度差必須保持在預期范圍內。拖纜箱速度控制流程如圖4所示。首先設定預期速度差，同時周期性地獲取采煤機速度以及拖纜箱速度，對這兩個速度進行減法操作:如果實際速度差大于預期速度差且采煤機速度大于拖纜箱速度，則拖纜箱加速；如果實際速度差大于預期速度差且采煤機速度小于拖纜箱速度，則拖纜箱減速；如果實際速度差小于或者等于預期速度差，則拖纜箱速度保持恒定。

圖4 拖纜箱速度控制流程

3.2 HMI人機界面設計

拖纜箱電氣系統的人機界面如圖5所示，人機界面可以監視采煤機狀態，包括啟動/停止狀態、電壓值、電流值、速度,還可監視拖纜電動機狀態,包括加速、減速、速度恒定。人機界面還可顯示拖纜電機故障、通信狀態以及故障信息，便于拖纜箱出現故障時對故障進行及時、準確的定位。

圖5 拖纜箱電氣系統監控界面

4 結論

該拖纜箱電氣系統可以控制線纜長度與采煤機速度的匹配在合理范圍之內，不會因線纜過長或者過短而發生故障。拖纜箱電動機采用變頻控制方案，保證了線纜長度實時可調、可變。經井下工業性試驗證明,系統運行安全、穩定，基本滿足了設計要求。但仍存在一些問題，之后的研究中應重點關注拖纜箱與采煤機的速度精確匹配以及協同控制，以取得更好的使用效果。