基于標準化的掘進機電氣系統的研究及應用

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（晉能控股煤業集團晉城事業部五人組 山西 048000）

1.標準化電氣系統設計的意義

標準化設計指的是在某一時間段內，面對不同或通用產品，運用共性條件，編制一致的要求與模式，落實適用性較強的設計，滿足設計上完善、經濟上科學、市場容量充沛的產品規劃。標準化電氣系統設計的前提是電氣系統的模塊化規劃。模塊是構成標準化規劃產品的基本組成，模塊化規劃是解決復雜系統難題的合理方式。模塊化規劃的特征不單單是面對單個產品，而是面對整個產品體系。模塊化針對產品構造來說，是特殊尺寸模數，是構造經典化、組建通用化、參數科學化、配備組合化的凝聚體。模塊是組件級（總成）與子系統級的通用件，以模塊能夠直接組成掘進機電氣系統，從而在更高層面上完成升級優化[1]。掘進機標準化電氣系統的規劃大致具備以下幾點優勢：設計效果有保障，有助于提升電控箱的配備效果，提升設計強度，有助于落實配件生產的規模化、規范化與機械化，提升生產效果，加速生產進程，有助于落實節省購買消耗，便于后期運轉與保養，提升經濟收益，利于職工培養，推動生產管控質量的提升。

2.標準化電氣系統的設計準則

標準化設計指的是在一定時間內，面對不同或者通用產品，通過共性條件，設計一致的要求與模式，落實適用范圍豐富的規劃，滿足設計上完善、經濟上科學、市場容量充沛的產品規劃。標準化電氣系統設計的前提是電氣系統的模塊化規劃。模塊是構成標準環規劃產品的基本組成，模塊化規劃是解決復雜系統難題的合理方式。模塊化規劃的特征不單單是面對單個產品，而是面對整個產品體系，具備構造經典化、組建通用化、參數系統化、配備組合化的特征，模塊是組件級（總成）與子系統級的通用件，以模塊能夠直接組成掘進機電氣系統，從而在更高層面上完成升級優化[1]。

3.標準化的電氣系統

(1)總體思路

標準化的電氣系統采用分布式控制系統的設計思路，主要將電氣系統按照功能劃分為各個標準的功能單元實現系統功能。電控箱及其內部的標準化主要包括電控箱的防爆外殼、主要元部件等硬件、控制及顯示等軟件，電控箱外部的標準功能單元主要包括外部操作、遙控系統等。文中主要從電控箱及其內部的軟硬件進行標準化設計，主要包括標準化的電控箱防爆外殼設計、標準化的硬件設計、標準化的軟件設計。

(2)系統設計

①標準化的電控箱防爆外殼。標準化電控箱防爆外殼在保證與現有左右結構電控箱外形尺寸基本不變的情況下，采用上下腔結構，外觀更加美觀、協調、科學。首先，外觀及尺寸標準化，且從箱體結構、環境適應性和防護等級方面能適應煤礦、工程隧道等不同工況環境的現場使用；其次，箱體內部結構的標準化，從箱體內部電氣功能單元排布、機械與電氣功能配合、整機功能擴展性等方面能滿足不同用戶的不同需求；最后標準化電控箱外殼能適應不同工況下不同功率的掘進機的安裝。

電控箱外殼為長方形上下腔結構，具有耐爆性和隔爆性。箱體為雙腔結構，由主腔、接線腔2個獨立的隔爆腔體組成，接線腔位于主腔上部；主腔門和接線腔門運用螺栓緊固的方法，主腔門上設計觀察窗，能夠以完整的圖形化界面呈現掘進機的各類運轉情況，同時主腔門上設有鍵盤，能夠對顯示內容進行翻頁查詢。電控箱外殼在設計時已符合相關標準的防護等級。同時電控箱設計考慮了不同電壓等級AC660V、AC1140V、AC3300V下的接線腔接線端子的間距。有效解決了掘進機電控箱應用于不同工況不同電壓等級下的電氣系統標準化程度低、差異化、個性化的問題。

②標準化的硬件設計。電控箱內部硬件的標準化主要包括主回路主要元部件選型、電源單元、控制保護單元的標準化等。

A.主要元部件的選型。主回路根據AC660V～AC3300V電壓等級的不同，應用工況的差異對電氣系統的不同需求以及元部件的可靠性等方面對斷路器、接觸器及電流變送器進行了標準化選型。當電氣系統應用于野外或工程隧道時，AC660V或AC1140V電源往往是通過民電升壓或柴油發電機來提供，供電電源存在電源容量有限或供電質量較差的問題，大功率電機直接啟動時勢必會造成啟動壓降較大或不能啟動，電控箱內部在硬件上集成了控制功率為340kW的電機軟啟動器，較低成本的實現了大功率電機的降壓啟動，使得電氣系統能夠適應AC660～AC3300V不同電壓等級或變電站、民電升壓和柴油發電機等不同方式的供配電系統。

B.電源單元。電源單元的外觀根據選定的電氣件、電氣件的電氣間隙和爬電距離及電氣件對空間的散熱要求，結合現場科學合理的可操作性，抗振動性而進行設計。電源單元無論是外觀還是內部電氣件的選型及布置等都充分考慮了掘進機電控箱在不同工況對電源及電源控制的需求。

C.控制保護單元。控制保護單元融合信號搜集、把控、保護、參數設計、通訊等功能于一體，通過采集外部信號、電機、本安信號、傳感器等設備的信號實現掘進機電氣系統的控制和保護等功能；通過預留的通訊接口與遙控系統、數據采集系統、遠程顯示系統等設備通訊，可滿足用戶添加遠程操控、情況檢測、信息上傳等功能。把控保護單元規范化硬件系統如圖1所示。

圖1 控制保護單元系統圖

控制保護單元內部采用嵌入式PC控制器作為主要控制器，通過單個硬件完成PLC、運動控制和可視化任務的嵌入式控制器。控制保護單元的外部線路連接器選用了國際通用的AMP連接器，提高了控制保護單元在外部線路上的抗振性能。外觀是根據選定的電氣件、電氣件的電氣間隙和爬電距離及電氣件對空間的散熱要求，結合現場裝配工人科學合理的可操作性、售后服務人員的可維護性，抗振動性而進行設計的。無論是外觀還是內部電氣件的選型及布置等都充分考慮了掘進機電控箱在不同工況的需求。

(3)標準化的軟件設計

電控箱內部的軟件主要有控制保護和顯示程序的標準化。

①控制保護程序的標準化。主控制程序的標準化設計，其核心是建立標準程序以及對應的代碼庫。在構建標準程序方面，代碼庫能夠從代碼命名的規范化，控制的標準化，保護的標準化。標準化的主控制器軟件構架框圖如圖2所示。

圖2 標準化的主控制器軟件結構框圖

代碼命名的規范化。全部代碼命名如變量、常量、函數及構造體等的定義通過通用的國際指標[2]。代碼命名的標準化示例如圖3所示。

圖3 代碼命名的標準化示例

控制程序的標準化。把軟件控制的共性提取出來，標準化程序可以選擇性調用。保護程序的標準化。把回路保護的共性提取出來，回路保護子程序通過功能塊圖庫的形式，能夠對其開展挑選性調用。

②呈現程序的規范化。呈現程序的規范化分為把控呈現程序的規范化和呈現畫面的規范化。A.主控制呈現程序的規范化。囊括代碼命名的規范化，控制的標準化。代碼命名的標準化同控制保護程序的代碼命名標準化，不再贅述。控制標準化，采用同樣的配置方法和思路，加載所使用的硬件設備，系統自動生成Application，再進行任務配置加載Task configuration，加載Task，每個Task需要配置優先級，然后進行代碼的實現。B.顯示畫面的標準化。圖形顯示界面的設計在PC機上設計好所需的圖片，加載至程序中，同時寫到顯示器系統，編譯下載將其顯示出來。圖形顯示界面的優勢在于大大縮減了軟件代碼，減輕CPU的負擔，不同機型對應的顯示界面進行了標準化設計，不需要重復設計。

4.結語

標準化的電氣系統采用智能控制的設計思路，滿足煤礦、工程隧道和無機鹽礦山等不同工況環境和不同用戶需求的現場應用，解決了電氣系統設計標準化、主要部件選型標準化、電氣產品裝配、調試、技術資料和售后服務等電氣系統全生命周期過程的個性化問題，為實現我國安全、高效、集約化礦業生產提供高效的技術支撐。基于標準化的掘進機電氣系統已有效運用于多種不同工況的掘進機系統當中，應用順利、有效，實現了掘進機電氣系統的批量規模，具有較高的推廣價值。