煤礦掘進機電控系統的可靠性設計分析

高曉勇

（山西靈石華苑煤業有限公司，山西 靈石 031300）

引言

在我國煤礦企業中懸臂式掘進機被廣泛應用，它不僅兼有切割、運輸和運輸的功能，實現了礦井生產的高產高效，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的可靠性設計進行了著重分析。

1 掘進機電控系統結構

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。控制電源主要為電控系統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。控制回路的核心組件是可編程控制器（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據，如瓦斯傳感器、電機溫度傳感器、漏電檢測器等等，從而實現系統對數據的耦合處理，并做出最優選。保護回路的作用是當各類傳感器反饋的信息超出系統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（監測短路、斷路等）、熱敏電阻（監測電機溫度）、漏電繼電器和閉鎖檢測回路（監測漏電情況及漏電位置）[1]。

圖1 煤礦掘進機電控系統的組件

2 掘進機電控系統可靠性的定量分析

定量分析主要是通過一些量化方法分析系統的可靠性參數和指標，如利用事故樹方法，分析故障發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生的故障，然后對可能引發故障的結果進行推導，直至出現系統故障，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計，得出可能出現的這些故障各自的故障率，再耦合故障修復時間、導致的損失等參數得出系統某部件的可靠性指標。以煤礦掘進機的電氣系統為例，電氣系統的部件主要包括PLC、各類電源、繼電器、接觸器和電機等，以這些元件為切入點，分析它們出現故障可能引起的運算錯誤、宕機、數據輸入不不準確、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進行分析研究，當某一部件發生故障時，不需要溯回整個電氣系統，而是對故障次數、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的早晚，進而回溯出初始故障出現在哪里，而不必對整個系統進行檢修。而非序貫蒙特卡洛法主要是對元件所處狀態的概率進行抽樣分析，而非對其使用壽命進行統計和分析，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。這里抽取0～1 之間的某個均勻分布的隨機數β，則判斷元件年故障次數的公式如下：

3 掘進機電控系統可靠性的定性分析

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各個環節及組件的可靠性進行定性分析，進而提出合理的設計建議。系統的可靠性除了受設備本身的質量影響之外，還受到工作環境以及相關人員素質的影響。這里主要從系統安全性、PLC 可靠性、電磁抗干擾性和環境適應性四個方面進行分析，并提出設計建議。

3.1 系統安全性設計分析

電控系統是掘進機的重要組成系統，而操作箱又是掘進機運轉的起點，考慮到煤礦環境中存在有瓦斯、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安全可靠性設計的第一環；誤操作的保護設計也至關重要，作為命令的發起者，牽一發而動全身，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安全可靠性設計的第二環；操作箱存在用電行為，就必須保證電氣安全，在用電過程中，短路和斷路現象都會引起極大的隱患，短路現象會引起局部電線或部件過熱，從而引發電氣火災。斷電現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，也將威脅到生產安全，因此過電保護功能的設計便屬于第三環。

3.2 PLC 可靠性設計分析

PLC 作為掘進機電控系統的核心，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實際，保證其在數據獲取、數據傳輸及數據處理這三個環節的準確性和時效性，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中樞——PLC、各類傳感器、接觸器等等，這就會引發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字量端口），從而使得PLC 的數據接收不受到感染；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 環境適應性設計分析

掘進機所處的工作環境十分惡劣，主要包括切割巖壁時的震動、破碎巖石產生的粉塵、除塵所噴灑的水霧以及空氣流通不暢導致的機械發熱等，這里主要根據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，使得所采集的數據有偏差；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，因此需要采取作業現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，提出在系統安全性、PLC可靠性、電磁抗干擾性和環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的安全性和可靠性具有重要意義。