EBZ230型礦用掘進機電氣控系統的改進設計

趙岱昕

（山西新元煤炭有限責任公司，山西晉中 030600）

0 引言

隨著國家煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設備被應用到煤礦開采中，而EBZ230型礦用掘進機則是其中重要的煤礦開采設備，保證其具有較好的作業效率及控制水平，是提高煤礦開采效率及作業安全的關鍵[1-3]。而由于井下環境的惡劣性，加上該設備的長期運行和技術水平的不斷發展，導致掘進機電氣控制系統綜合性能已無法較好地滿足掘進機的控制需求，加大對電氣控制系統的性能提升研究，已成為當下研究的重要內容[4-6]。因此，以EBZ230型掘進機電氣控制系統結構組成及存在故障問題為分析基礎，開展了電氣控制系統的總體方案設計及其系統中關鍵部分的設計分析研究，并對該系統進行了現場應用測試，結果表明，該系統具有更高的控制性能，能更好地滿足掘進機的使用需求，這對提高礦用掘進機的控制性能和作業效率、增加企業經濟效益具有重要意義。

1 電氣控制系統

掘進機是煤礦領域的重要設備，根據其使用工況及作業條件的不同，掘進機的電機、截割部等部分的配置也不盡相同。現有的掘進機主要由掘進部分、行走部分、控制系統、支撐部分、液壓部分、水路部分等組成，而掘進部分是該設備機械部分的關鍵系統，其結構主要由減速器、截割頭、電機、截割臂、固定架等組成，通過各部件的相互配合，完成對煤層的掘進作業。而控制系統則主要由電控箱、操作箱、按鈕控制箱、驅動電機、電鈴、瓦斯濃度傳感器、照明燈及若干電纜等組成，其中，電控箱則是整套系統的核心部分，是整個系統的控制大腦，控制著整套系統的正常運行，主要用于放置掘進機中的各類元器件及控制部件，采用了隔爆型設計，兼顧本安型電器設備，由鋼結構通過焊接方式組成。另外，在控制系統的操作箱面板上配備了多個運行及故障指示燈、開關按鈕等，當掘進機運行時，可將系統中的電壓、電壓等相關參數進行實時顯示、信號提示及命令啟動等。

2 系統故障問題分析

掘進機在使用過程中，由于井下環境相對惡劣，加上掘進機的超負荷作業，導致現有電氣控制系統經常出現各類故障問題[7-8]，具體包括如下內容：

（1）電氣控制系統中的接觸器、繼電器、保護電路等整體具有較低的可靠性，運行一段時間后經常出現設備無法正常運行、檢測精度低、整體抗干擾性差等問題，致使無法較好地滿足掘進機的控制需求；

（2）目前，該控制系統的接觸器、控制器等部件均采用了普通非專業電氣元件，當其在較大潮濕環境下長時間工作過程中，出現了反應不靈敏、失靈等問題，大大降低了部件的使用壽命，整體較容易出現故障；

（3）現有的電氣控制系統雖配備了故障報警提示，并在液晶顯示界面上進行實時顯示，但基本未設置故障報警燈，無法對故障的具體類型及故障等級進行具體顯示；

（4）由于電氣控制系統內部設備相對獨立，未進行統一，在檢修各個電子元器件靈便性和線路虛接、脫線等情況時，都需要對照不同電氣原理圖來檢修，操作較為麻煩；

（5）隨著控制技術的不斷提升，現有控制系統的控制水平較為落后，在系統更新方面無法正常升級，導致部分功能已無法滿足掘進機的控制需求。

3 電氣控制系統改進研究

3.1 新型系統總體設計

結合現有EBZ230型掘進機控制系統使用中存在的各類故障類型，在現有控制系統應用基礎上，對該控制系統進行了改進研究。整體系統采用了隔爆型電控箱，電源采用交流轉直流后的24 V電源，在檢測集成器方面采用了BH9型的4AD模塊，以此替代原有的保護器，可實現對系統的較好保護作用。同時，現有控制系統的電路相對復雜，故針對此情況，將電控改造為了信號轉換模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、信號執行模塊等4部分，大大提高了系統的模塊化、集成化程度。另外，原有的顯示屏為按鍵時操作，改進后的顯示屏采用了觸屏方式進行操作，并增加了對掘進機漏電情況、井下瓦斯濃度情況、設備振動情況等相關參數的實時顯示。由于原有掘進機中接觸器和繼電器控制的電壓存在24 V、36 V等多種電壓平臺，因此，將其統一改為了220 V電壓，使系統更加簡化，方便了后期的設備檢查和維修。新型電氣控制系統結構組成框架如圖1所示。

3.2 關鍵部分改造分析

3.2.1 系統信號采集設計

掘進機在運行過程中，涉及到較多種類的運行信號，如電機轉速、電機功率、設備振動情況、設備工作溫度等，因此，針對此些參數的檢測問題進行了信號采集設計。在掘進機工作溫度采集方面，配備了AT-1A型熱電阻溫度傳感器，可將設備工作過程中的溫度進行及時檢測，其檢測精度可達0.1℃，并將其傳輸至BH9保護模塊中；針對設備的工作電壓問題，配備了CSP2-1 500 V型變壓器，將外界電壓轉為設備運行所需的5 V、12 V等不同電壓值，且其轉換速度較快，方便了系統對電壓平臺的動態檢測；而針對系統中的液壓油位置檢測問題，采用了電子浮漂式裝置，當液壓油出現油溫過高、液位較低或較高等問題時，該設備可較快地完成對故障的檢測及發出滴答的報警提示。由此完成了對掘進機控制系統中信號采集部分的設計。

3.2.2 CAN總線系統設計

礦用掘進機電控系統所設計的CANOpen通訊系統的硬件主要包括電控箱和操作箱兩部分，中間有雙絞屏蔽線，如圖2所示。電控箱內包含有電源模塊、分布式I/O、IC控制器、光耦隔離中繼模塊等，操作箱內包括遠程DI、顯示屏和光耦隔離中繼模塊等，其中光耦隔離中繼模塊的作用是保護所有設備的通訊口。

3.2.3 電氣控制箱設計

圖1 新型電氣控制系統結構框架圖

該電氣控制箱安裝在掘進機的機身后方左側位置，主要用于安裝掘進機中的各類動作元件、電路板、控制元件等部件。整個箱體按照隔爆型和安全型原則進行設計，在門板上增設機械聯鎖，可實現切換開關在非停止位置時禁止開門功能，并將箱內的上箱設置為接線腔，各種電線可通過該腔實現與其他元器件的連接通信，同時，將其下部設置為控制元件腔，可安裝各類隔離開關、主回路板、控制元器件等。其中，主回路板采用了防脫螺栓固定式結構設計，并在門板上增加FX2N-64MR可編程控制器、開關電源、BH9綜合信號轉化裝置等設備。通過此改進設計，電氣控制箱的布局更加合理，元器件與接線頭處實現了較好的分離，可有效提高箱內元器件使用過程中的穩定性和安全性。

圖2 礦用掘進機CANOpen通訊架構圖

4 實際使用效果分析

結合前文改進后的EBZ230掘進機電氣控制系統，為進一步掌握其系統的運行效果，將其在實際煤礦中進行了應用測試，主要將該系統安裝在該掘進機設備中，開展了將近3個月的現場應用測試。測試結果如下：

（1）該系統在整個運行過程中，各項功能均運行正常，系統整體可靠性較高，針對掘進機運行過程中的電機電壓、振動程度、運行功率等各類參數進行實時檢測，較好地滿足了掘進機的使用需求；

（2）該系統針對掘進機運行過程中出現的溫度過高、振動劇烈、線路短路等故障問題及時發出了不同類型的報警提示，并在顯示屏上進行了故障的實時顯示；

（3）該系統中顯示界面對掘進機運行參數進行了數據的快速保存，同時，將所需的參數繪制成相應的曲線形式，并在顯示屏上進行顯示；

（4）該系統的應用，得到了現場人員的一致認可，建議將該系統在更多掘進機上進行實際應用。

5 結束語

隨著現有控制技術的不斷提升，掘進機控制系統的控制水平也無法滿足當下設備的控制需求，加大對電氣控制系統的性能提升研究，已成為當下研究的重要內容。由此，本文分析了EBZ230型掘進機電氣控制系統的結構組成及存在的故障問題，開展了電氣控制系統的總體方案設計，針對該系統中關鍵部分進行了設計分析，最終將該系統進行了現場應用測試，結果表明，該系統具有更高的控制性能，能更好地滿足掘進機的使用需求，得到了人員的一致好評，這對提高礦用掘進機的控制性能及作業安全具有重要作用。