交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

何 博,羅志朋,謝 建,顏宏彪

(湖南煤礦機械有限公司,湖南 婁底 417000)

0 引言

當前,我國的能源需求仍呈增長趨勢,盡管煤炭在能源消費總量中的占比不斷下降,但其仍是我國能源供應的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”。我國急傾斜煤層儲量大約占煤炭總儲量的17%。據(jù)統(tǒng)計,我國626處國有重點煤礦和地方煤礦中,開采急傾斜煤層的礦井有103處,占16.5%。以貴州省為例,2020年全省仍有4%煤礦難以實現(xiàn)采煤機械化。而急傾斜煤層開采難度大,迫切需要研發(fā)新的安全、高效、綠色開采方法。

本文針對急傾斜煤層的開采難點,設(shè)計開發(fā)了一種交流電牽引采煤機,為提高該型交流電牽引采煤機的綜合性能,仍需配套開發(fā)一種穩(wěn)定性高、保護完善、操作方便的交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)。采煤機電控系統(tǒng)的研究主要集中在其控制技術(shù)、通信技術(shù)及軟件技術(shù)[1-3]。周旭[4]基于西門子S7-300PLC的EML340型連續(xù)采煤機電控系統(tǒng)實現(xiàn)了采煤機的較強抗干擾能力和現(xiàn)場適應能力。王鵬[5]提出了基于PLC和Win CC的采煤機監(jiān)控系統(tǒng),詳細闡述了該自動化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、控制功能、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及各核心單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計、總體要求,最后證明該監(jiān)控系統(tǒng)可提高采煤機運行的可靠性。趙欣等[6]針對基于PLC的電磁調(diào)速電牽引采煤機控制系統(tǒng)體積較大、功能簡單、擴展性差、安裝走線繁瑣、抗震動性能弱等問題,設(shè)計了一種新型的嵌入式電磁調(diào)速電牽引采煤機電控系統(tǒng)。邢程等[7]針對電磁調(diào)速器的特點、DSP豐富的外設(shè)資源和高速運算能力來進行外圍硬件電路的設(shè)計,提出了用TMS320F2812控制采煤機速度的方法,給出了控制器的硬件框圖和外圍電路和系統(tǒng)軟件設(shè)計。大量學者針對采煤機電控系統(tǒng)的升級改造進行了長期研究,本文在前人的基礎(chǔ)上,針對自主研發(fā)的交流電牽引采煤機開發(fā)設(shè)計了一套機電控制系統(tǒng),期望能夠提高采煤機的擴展性、靈活性和適應性,從而提高工作面的生產(chǎn)效率。

1 交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)組成

與常規(guī)長壁采煤機不同,交流電牽引采煤機是針對急傾斜煤層所研發(fā)的新型采煤機械。在運行邏輯、力學環(huán)境、割煤方式、控制方式等方面與常規(guī)長壁采煤機存在本質(zhì)差異。而采煤機電控系統(tǒng)是采煤機的大腦,負責感知外界環(huán)境、獲得作業(yè)參數(shù),控制著采煤機的運行邏輯。交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)主要由隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱、瓦斯斷電儀、本質(zhì)安全型遙控系統(tǒng)、隔爆型電纜滾筒等部分組成。交流電牽引采煤機結(jié)構(gòu)如圖1所示,其最典型的特征是將傳統(tǒng)常規(guī)長壁采煤機的垂直滾筒截割部改為水平刨煤滾筒。圖2為交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)框圖。

圖1 采煤機結(jié)構(gòu)示意

圖2 交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)框圖

2 交流電牽引采煤機主要控制部件

2.1 隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱

隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱作為交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)的控制核心,其內(nèi)部控制器選用西門子S7-1200系列PLC,該型PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理能力、占用空間小、模塊化配置靈活、通信接口豐富、擴展能力強、抗震能力強等優(yōu)點,能夠滿足交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)的需求。PLC通過RS485通信與變頻器進行數(shù)據(jù)交換,實時讀取變頻器的當前狀態(tài)和故障。

控制箱內(nèi)裝有采煤機專用變頻器,用于驅(qū)動交流電牽引采煤機的牽引電機,實現(xiàn)了采煤機行走無極調(diào)速。采用該型變頻器驅(qū)動牽引電機實現(xiàn)了對牽引電機的過載、缺相、堵轉(zhuǎn)、短路、失速、接地故障等保護功能和采煤機供電電源的電壓過低/高、缺相等保護功能。另外,控制箱內(nèi)裝有LCL濾波電路以提高變頻器功率因數(shù)、降低變頻器對外界的電磁干擾。

選用7寸觸摸屏作為人機界面(HMI),與PLC通過RS485通信交換數(shù)據(jù),用于顯示采煤機電控系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù),如電控系統(tǒng)故障記錄、截割電機電流、截割電機溫度、牽引電機電流、牽引電機轉(zhuǎn)速、牽引電機溫度、給定牽引速度、實際牽引速度、IGBT溫度、遙控系統(tǒng)按鍵狀態(tài)、采煤機運行條件等。

采用真空接觸器和電機綜合保護器驅(qū)動截割電機,實現(xiàn)對截割電機的啟/停控制和過載保護;截割電機的溫度保護觸點接入PLC,實現(xiàn)對截割電機的溫度保護。控制箱內(nèi)含電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機控制電路,實現(xiàn)對電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機的啟/停控制和相關(guān)電機的過載保護。控制箱內(nèi)裝控制變壓器、開關(guān)電源、本安電源,給采煤機電控系統(tǒng)提供所需的交流220 V、直流24 V和5 V本安電源。

2.2 瓦斯斷電儀

瓦斯斷電儀主機安裝于控制箱內(nèi)部,由控制箱內(nèi)部配電回路供電,其常閉觸點串入控制箱引出的先導回路,實現(xiàn)瓦斯?jié)舛冗^高時采煤機自動整機斷電。瓦斯斷電儀配套的本質(zhì)安全型瓦斯?jié)舛忍筋^安裝于采煤機機身,實時檢測采煤機工作環(huán)境內(nèi)的瓦斯?jié)舛取?/p>

2.3 本質(zhì)安全型遙控系統(tǒng)

本質(zhì)安全型遙控系統(tǒng)由本質(zhì)安全型遙控接收器和本質(zhì)安全型遙控發(fā)射器組成,遙控接收器安裝于采煤機機身、裝有控制按鈕,由控制箱提供本質(zhì)安全型電源,通過CAN通信與PLC間進行數(shù)據(jù)交換,可實現(xiàn)對采煤機截割、牽引和電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機的啟停控制和牽引加/減速等操作。遙控發(fā)射器由采煤機操作人員持有,實現(xiàn)了采煤工作面復雜工況下,對采煤機較遠距離的無線操控。

2.4 隔爆型電纜滾筒

隔爆型電纜滾筒用于采煤機行走時收/放主電纜,由小功率電機驅(qū)動,可根據(jù)現(xiàn)場工況選擇安裝于采煤機機身上或工作面巷道內(nèi)。

3 程序設(shè)計

采煤機電控系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括PLC程序設(shè)計與HMI畫面組態(tài)。電控系統(tǒng)上電后,系統(tǒng)先執(zhí)行初始化工作,即PLC根據(jù)預設(shè)的配置參數(shù)對PLC本體和各模塊、通信接口進行配置,將數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器清零及系統(tǒng)保護參數(shù)賦值,繼電器置位或復位。系統(tǒng)初始化完成后,人機界面顯示為初始狀態(tài)。然后開始執(zhí)行控制程序,包括截割電機控制、牽引電機控制、電纜滾筒控制、轉(zhuǎn)載輸送機控制、AI/AO處理、HMI通信與數(shù)據(jù)處理、變頻器通信與數(shù)據(jù)處理、遙控器通信與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)保護功能等子程序。圖3所示為PLC程序總流程圖,圖4所示為截割控制子程序流程圖,牽引、電纜滾筒、轉(zhuǎn)載輸送機的控制子程序與截割控制子程序流程圖類似,未再一一列出。

HMI畫面組態(tài)時,應使用直觀、醒目的圖形或文字顯示系統(tǒng)重要的狀態(tài)量和故障,便于操作人員實時查看采煤機當前工作狀態(tài)、有助于維修人員即時處理采煤機故障。

圖3 PLC程序總流程示意

4 交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)應用

該交流電牽引采煤機電控系統(tǒng)歷經(jīng)改進,性能成熟、操作方便、可靠性高。萬順煤礦12501工作面經(jīng)過90天的試采,采用該電控系統(tǒng)采煤機實現(xiàn)了機械化采煤以來月生產(chǎn)原煤2.8萬噸,最高班產(chǎn)達到500 噸,工作面采用偽傾斜采煤方法,提高煤炭的自溜性能,提高工作面的生產(chǎn)效率。在整個運行的期間,配備該機電控系統(tǒng)MG25/50-TPD型交流電牽引采煤機采用雙牽引鏈行走機構(gòu),采煤機穩(wěn)定性好,牽引力大,運行既快又穩(wěn),完全滿足交流電牽引采煤機在偽傾斜工作面工況條件下作業(yè)的需要,該成果對未來采煤機電控系統(tǒng)的優(yōu)化升級提供了較好的借鑒。

5 結(jié)語

MG100/140-TPD型交流電牽引采煤機取證后在萬順煤礦采煤工作面實地運行,經(jīng)過現(xiàn)場實際使用論證,該型采煤機的電控系統(tǒng)符合設(shè)計預期,能夠完成對我司生產(chǎn)的MG100/140-TPD型交流電牽引采煤機的精確和穩(wěn)定控制、能夠較大程度提高急傾斜采煤工作面的機械化和自動化水平。