EBZ230型礦用掘進機電氣控系統(tǒng)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(yè)效率及控制水平，是提高煤礦開采效率及作業(yè)安全的關鍵[1-3]。而由于井下環(huán)境的惡劣性，加上該設備的長期運行和技術水平的不斷發(fā)展，導致掘進機電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)的性能提升研究，已成為當下研究的重要內(nèi)容[4-6]。因此，以EBZ230型掘進機電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)的總體方案設計及其系統(tǒng)中關鍵部分的設計分析研究，并對該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應用測試，結果表明，該系統(tǒng)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(yè)效率、增加企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 電氣控制系統(tǒng)

掘進機是煤礦領域的重要設備，根據(jù)其使用工況及作業(yè)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(xiàn)有的掘進機主要由掘進部分、行走部分、控制系統(tǒng)、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(tǒng)，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(yè)。而控制系統(tǒng)則主要由電控箱、操作箱、按鈕控制箱、驅動電機、電鈴、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒄彰鳠艏叭舾呻娎|等組成，其中，電控箱則是整套系統(tǒng)的核心部分，是整個系統(tǒng)的控制大腦，控制著整套系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中的電壓、電壓等相關參數(shù)進行實時顯示、信號提示及命令啟動等。

2 系統(tǒng)故障問題分析

掘進機在使用過程中，由于井下環(huán)境相對惡劣，加上掘進機的超負荷作業(yè)，導致現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各類故障問題[7-8]，具體包括如下內(nèi)容：

（1）電氣控制系統(tǒng)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(jīng)常出現(xiàn)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(tǒng)的接觸器、控制器等部件均采用了普通非專業(yè)電氣元件，當其在較大潮濕環(huán)境下長時間工作過程中，出現(xiàn)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(xiàn)故障；

（3）現(xiàn)有的電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部設備相對獨立，未進行統(tǒng)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(xiàn)有控制系統(tǒng)的控制水平較為落后，在系統(tǒng)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(tǒng)改進研究

3.1 新型系統(tǒng)總體設計

結合現(xiàn)有EBZ230型掘進機控制系統(tǒng)使用中存在的各類故障類型，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)應用基礎上，對該控制系統(tǒng)進行了改進研究。整體系統(tǒng)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(xiàn)對系統(tǒng)的較好保護作用。同時，現(xiàn)有控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號執(zhí)行模塊等4部分，大大提高了系統(tǒng)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?jié)舛惹闆r、設備振動情況等相關參數(shù)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(tǒng)一改為了220 V電壓，使系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)對電壓平臺的動態(tài)檢測；而針對系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)出滴答的報警提示。由此完成了對掘進機控制系統(tǒng)中信號采集部分的設計。

3.2.2 CAN總線系統(tǒng)設計

礦用掘進機電控系統(tǒng)所設計的CANOpen通訊系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)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(lián)鎖，可實現(xiàn)切換開關在非停止位置時禁止開門功能，并將箱內(nèi)的上箱設置為接線腔，各種電線可通過該腔實現(xiàn)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(xiàn)了較好的分離，可有效提高箱內(nèi)元器件使用過程中的穩(wěn)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(tǒng)，為進一步掌握其系統(tǒng)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(tǒng)安裝在該掘進機設備中，開展了將近3個月的現(xiàn)場應用測試。測試結果如下：

（1）該系統(tǒng)在整個運行過程中，各項功能均運行正常，系統(tǒng)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(shù)進行實時檢測，較好地滿足了掘進機的使用需求；

（2）該系統(tǒng)針對掘進機運行過程中出現(xiàn)的溫度過高、振動劇烈、線路短路等故障問題及時發(fā)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(tǒng)中顯示界面對掘進機運行參數(shù)進行了數(shù)據(jù)的快速保存，同時，將所需的參數(shù)繪制成相應的曲線形式，并在顯示屏上進行顯示；

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

5 結束語

隨著現(xiàn)有控制技術的不斷提升，掘進機控制系統(tǒng)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(tǒng)的性能提升研究，已成為當下研究的重要內(nèi)容。由此，本文分析了EBZ230型掘進機電氣控制系統(tǒng)的結構組成及存在的故障問題，開展了電氣控制系統(tǒng)的總體方案設計，針對該系統(tǒng)中關鍵部分進行了設計分析，最終將該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應用測試，結果表明，該系統(tǒng)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(yè)安全具有重要作用。