井下懸臂式掘進機電控系統改進設計與研究

劉堯青

（同煤集團朔州朔煤王坪煤電公司，山西 朔州 038300）

1 掘進機現存問題與改進方向分析

同煤集團朔州煤電王坪煤礦綜掘工作面使用最多的是懸臂式縱軸掘進機。該機器截割部體積小、功率大的特點導致其切削力大，工作效率高；縱向的切割方式，使其適應性更強；星輪式的裝載設計，有利于提高機器持續運轉的時間，降低出現故障的幾率；與其配合的輸送機使用的是穩定性較高的雙邊鏈式結構；在輸送帶的內外兩側均設有霧化機構，便于最大程度地降低運行中的煤塵。限制懸臂式掘進機發展的一個重要問題即電控系統，目前電氣控制系統主要有以下3 方面的問題：

（1）目前電控系統電子元件壽命較低，故障出現次數較多。

（2）電控系統的整體設計思路較模糊，邏輯語言較混亂，故障出現時，排查浪費大量時間。

（3）對系統軟件設計工作不夠重視，應結合礦井自身特點進行軟件的重新設計。

通過對目前掘進機問題的分析研究，確定了本文關于掘進機電控系統的研究方向：首先明確掘進機電控系統的總體設計方案，其次對系統的硬件進行設計，最后設計軟件系統，實現軟硬件的最佳結合效果，提高系統的可靠性以及適應性。

2 懸臂式掘進機的概況

電控系統即掘進機的控制系統，保證了掘進機的正常工作。EBZ200 的懸臂式掘進機在王坪煤礦中被作為多個采掘工作面的掘進設備，該機器的適應性強，可以用于不同類型的巷道掘進。該機器的主體結構如圖1 所示。

圖1 EBZ200 掘進機的主體結構示意圖

本文主要是針對掘進機的電氣控制部分進行改進設計與研究，從而實現掘進機更高效更穩定的運行。

3 懸臂式掘進機電氣控制系統的總體設計

控制器是掘進機電氣控制系統的關鍵，控制器必須實現發號施令、收集一線數據并對其進行處理、檢測元件、識別機器運轉狀態、提示以及處理故障等的功能，除此之外還需要進行人機交互，對工作人員的指令進行識別并做出反應，并將機器的運轉參數顯示在HMI 人機界面處。從圖2 控制系統總體結構示意圖中，可以清楚地看出，控制器位于整個系統中心位置，控制器采集的信號包括操作箱控制按鈕、油泵、截割高速、截割低速、二運、風機、5 個電機的電流、3 個電機的溫度、油位油壓傳感器反饋的油溫、油壓等信號、瓦斯斷電儀以及急停閉鎖等信號。通過對采集的信號進行分析處理，進而實現對掘進機的整體動作控制，即通過控制器反饋的信號，即5 電機的啟動與暫停、電機的漏電檢測以及警鈴等來確保掘進機的安全運轉，實現對其系統各個運行狀態的保護。

針對目前電器元件壽命太低的問題，應該就市場的主流元件進行性能對比，選擇適合惡劣工作環境的元器件。其中控制器選擇高性能處理器、多功能信號端口的Inter Control 公司的DCF-I 控制器。為配合控制器，對其元器件進行重新選型，具體見表1。

表1 部分元器件明細表

4 懸臂式掘進機電控系統的軟件研究與設計

掘進機電控系統的軟件設計部分包括主程序的設計、子程序的設計、運行狀態管理程序的設計、電機運行狀態管理程序的設計、運轉狀態判定處理程序的設計以及可視化頁面程序設計等。

（1）設計的主程序的主要功能是各通訊工具啟動后，對其子程序實現調用。即在系統開機后，對子程序包括程序初始化、狀態管理程序、電機管理程序以及運轉狀態判定處理程序進行合適的調用。

（2）程序初始化的設計。初始化即控制器通過CAN 子程序實現對PDO 的管理，進而對整個系統中采集的數據進行處理。

（3）運行狀態管理程序的設計。程序設計的流程圖如圖3 所示。

圖2 懸臂式掘進機控制系統總體結構圖

圖3 管理程序流程圖

（4）電機運行狀態管理程序的設計。該程序主要是針對電機的運行情況來進行記錄，采集數據為運行狀態的分析處理做準備。電機運行狀態程序架構如圖4 所示。

圖4 電機運行狀態管理程序架構圖

（5）運轉狀態判定以及處理故障程序設計。該部分將系統的運轉、電機等相結合，確保機器運轉狀態判別的準確性以及第一時間對已出現或者潛在故障做出反應。該程序流程圖如圖5 所示。

圖5 運行狀態判定、處理程序流程圖

5 結論

同煤集團王坪煤電公司設計研究的掘進機電氣控制系統，通過對電控系統硬件軟件的設計研究，有效地解決了現有掘進機電控系統總體設計思路不明確、元件以及系統可靠性不高的問題。在模擬礦井掘進機運轉過程中，該系統表現出了很好的穩定性，預計后期系統開發成熟后，投入實際的生產當中時，可以帶來很好的經濟效益。