懸臂式掘進機電控系統設計與應用研究

劉 偉

（大同煤礦集團朔州煤電公司小峪煤礦，山西 朔州 038300）

引言

煤炭資源需求隨著經濟社會的不斷發展日益增多，采煤工作量逐年增加，極大地推動了采煤事業的發展，尤其是機械化、自動化、智能化必將成為煤炭采掘行業發展的必然趨勢[1-2]。掘進機作為煤炭采掘工作的重要設備之一，其工作性能的好壞不僅關系煤炭掘進的安全性，還與煤炭企業的經濟效益息息相關，現已引起了廣泛關注[3-4]。控制系統作為掘進機的重要組成部分，相較于普通裝置而言，其服役環境較為惡劣，如水霧、粉塵、煤層等，經常出現控制故障，降低掘進機工作效率，增加運維人員的勞動強度，限制了煤炭企業的掘進效率和產量[5-6]。針對某煤炭企業對掘進機電控系統提出的新要求，開展了更合理、更可靠電控系統設計工作與應用工作具有重要意義。

1 電控系統設計要求

根據掘進機原有電控系統的實際情況，提出了新設計電控系統的具體要求，第一是控制系統能夠實現接收掘進機實現運行狀態參數且可以根據需要對其發送控制指令；第二是能夠自主根據采集得到的掘進機運行狀態數據及環境因素參數進行邏輯分析處理，判斷掘進機是否正常工作；第三是一旦發現掘進機故障能夠及時發出故障預警，包括漏電斷電、警鈴、故障位置及處理策略等；第四是電控系統運行穩定可靠。

2 電控系統方案

根據煤炭企業對掘進機電控系統提出的新要求，完成了掘進機電控系統總體方案的設計，如圖1所示。控制器作為掘進機電控系統的核心部件，負責控制指令的發送、數據的處理、故障預警等功能，通過上位機進行實時數據顯示。控制器輸入信息來源于操作箱按鈕、電機運行參數、各類環境監測傳感器、電控回路等，輸出信號涉及電機的啟停及漏電保護、故障預警、照明開閉等。電控系統通過檢測掘進機實時運行參數的信息，經數據分析處理，實現掘進機的實時監測和遠程控制，如油泵電機啟停、截割高速和低速的切換、運輸機啟停、風機啟停、電機保護、故障預警等。

圖1 電控系統方案

3 系統詳細設計

3.1 硬件設計

3.1.1 控制器的選型

掘進機工作于煤礦巷道之中，工作環境惡劣，如高濕度、粉塵、腐蝕氣體等，因此對掘進機電控系統組件的環境適應性要求較高。同時，截割時煤巖臂的反作用力會增加機身的振動，導致掘進機載荷波動較為劇烈。另外，煤礦井下電網質量較差，運行時存在大負荷和高用電量時電壓波動大的問題，出現故障時維修操作空間小、勞動工作量大，排除故障需要較長的時間。因此設計電控系統時所選的電控系統元器件需要具有防護等級高、抗震性強、低故障率等特點，傳統PLC 明顯不能適應上述應用產所，故選擇了Inter Control 廠家的DCF-I 控制器作為控制核心。

3.1.2 主回路設計

主回路設計采用隔離換向開關，配置一組450A熔斷器用于短路保護，控制回路中使用交流真空接觸器，設置五組量程不同電流變送器完成保護電路的信號采集。結合掘進機各個電機回路參數及高低速控制要求，確定了總回路的額定電流為291.5 A。基于此完成主電路電氣元件的選擇，隔離換向開關型號為OT400E12，熔斷器型號為3NE3233，交流真空接觸器型號為CKJ5-250，電流變送器型號為CS50-1500/10VDC，電流變送器型號為CS50-1000/10VDC，電流變送器型號為CS50-100/10VDC。

3.1.3 保護單元

保護單元涉及漏電檢測、電壓電流傳感器、油溫油位傳感器、瓦斯氣體傳感器等功能，監測掘進機實時工作參數，發現參數異常，立即啟動故障預警。根據電控系統需求完成了相關電氣元件的選型，通訊模塊型號為750-337，模擬量模塊型號為750-459，溫度采集模塊型號為750-460，終端模塊型號為750-600，絕緣監視儀型號為IR420-D6-1，耦合儀型號為AGH520S，絕緣監視儀型號為IR420-D4-1，電壓變送器型號為PAS-UG1-2000，油溫傳感器型號為KG3044，油位傳感器型號為GUY10，甲烷傳感器型號為GJC4。

3.1.4 控制電源

掘進機控制系統配置的電源涉及控制變壓器、本安直流電源1 個，非本安直流電源2 個，高壓熔斷器1 個和空氣斷路器3 個。變壓器輸入電壓為1 140（660）V，輸出電壓分別為110 V、127 V、220 V。本安電源選擇110 V 線路供電，照明和報警選擇127 V線路供電，其他電氣元件由220 V 線路取電。

3.2 軟件設計

3.2.1 主程序

掘進機電控系統主程序流程如圖2 所示，涉及開機延時、程序初始化、系統狀態管理、電機程序管理、運行狀態判斷處理程序等，其主要作用是在延遲等待其他通訊器件啟動完成后，完成各個大的子程序的調用。

圖2 電控系統主程序流程

3.2.2 系統狀態管理子程序

系統狀態管理子程序的作用是完成核心控制器中I/O 轉換程序進行初始化處理，實現外部I/O 和內部控制完成映射，完成掘進機運行參數的監測與管理。其主要包括故障預警、控制器輸入輸出狀態和系統程序變量的對應關系，主要指監測電壓電流數值與物理量的對應關系。

3.2.3 運行狀態判斷處理子程序

電控系統運行狀態判斷與處理程序流程如圖3所示，是掘進機邏輯控制功能實現的核心，其作用是依據電控系統中采集得到掘進機運行參數、環境因素、操作控制指令等實時數據，通常數據處理和分析，判斷掘進機是否工作正常，并經工作情況顯示于系統的人機交互界面中。當系統出現故障時，及時發出故障預警，提示故障出現的位置及修復策略，提高電控系統故障排查效率，提高掘進機的有效工作時間。

圖3 運行狀態判斷處理子程序流程

3.3 人機交互界面

人機交互界面用于顯示井下掘進機運行狀態參數的實時顯示，讓掘進機監控人員實時掌握掘進機的工作狀況，并且監控人員能夠根據實時運行參數及其變化趨勢，對掘進機進行遠程操控指令的控制，實現掘進機在線監測與遠程控制的目的。如圖4 給出了掘進機電控系統主工作界面，實時顯示了電機的運行狀態、電流、溫度、油溫、油位、進線電壓等參數。一旦掘進機運行過程中出現監測數據超標，系統會立即發出報警信息，提示故障問題及位置，指導監控人員及時調度系統運維人員進行系統故障排查與修復，保證系統能夠快速恢復至工作狀態，保證掘進機的安全穩定運行。

圖4 電控系統主工作界面

4 應用效果評價

為了驗證懸臂式掘進機電控系統設計的可行性和合理性，將其應用于服役中的掘進機進行試運行，跟蹤記錄控制系統的應用情況，結果表明，控制系統運行穩定可靠，滿足掘進機實時狀態監控、遠程控制和故障報警等功能要求。統計結果顯示，相較于原掘進機電控系統，新電控系統的應用，降低了電控系統近10%的故障排查時間，節約了2～3 名系統運維人員，提高了近5%煤礦井下各采煤設備利用率，降低了煤炭掘進成本，預計為企業新增經濟效益近60 萬元/年，取得了很好的應用效果。