井下懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究

劉堯青

（同煤集團(tuán)朔州朔煤王坪煤電公司，山西 朔州 038300）

1 掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)存問題與改進(jìn)方向分析

同煤集團(tuán)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(jìn)機(jī)。該機(jī)器截割部體積小、功率大的特點(diǎn)導(dǎo)致其切削力大，工作效率高；縱向的切割方式，使其適應(yīng)性更強(qiáng)；星輪式的裝載設(shè)計(jì)，有利于提高機(jī)器持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間，降低出現(xiàn)故障的幾率；與其配合的輸送機(jī)使用的是穩(wěn)定性較高的雙邊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)；在輸送帶的內(nèi)外兩側(cè)均設(shè)有霧化機(jī)構(gòu)，便于最大程度地降低運(yùn)行中的煤塵。限制懸臂式掘進(jìn)機(jī)發(fā)展的一個重要問題即電控系統(tǒng)，目前電氣控制系統(tǒng)主要有以下3 方面的問題：

（1）目前電控系統(tǒng)電子元件壽命較低，故障出現(xiàn)次數(shù)較多。

（2）電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路較模糊，邏輯語言較混亂，故障出現(xiàn)時，排查浪費(fèi)大量時間。

（3）對系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作不夠重視，應(yīng)結(jié)合礦井自身特點(diǎn)進(jìn)行軟件的重新設(shè)計(jì)。

通過對目前掘進(jìn)機(jī)問題的分析研究，確定了本文關(guān)于掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的研究方向：首先明確掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，其次對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟硬件的最佳結(jié)合效果，提高系統(tǒng)的可靠性以及適應(yīng)性。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的概況

電控系統(tǒng)即掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)，保證了掘進(jìn)機(jī)的正常工作。EBZ200 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)在王坪煤礦中被作為多個采掘工作面的掘進(jìn)設(shè)備，該機(jī)器的適應(yīng)性強(qiáng)，可以用于不同類型的巷道掘進(jìn)。該機(jī)器的主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 EBZ200 掘進(jìn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要是針對掘進(jìn)機(jī)的電氣控制部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)更高效更穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

控制器是掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，控制器必須實(shí)現(xiàn)發(fā)號施令、收集一線數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理、檢測元件、識別機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、提示以及處理故障等的功能，除此之外還需要進(jìn)行人機(jī)交互，對工作人員的指令進(jìn)行識別并做出反應(yīng)，并將機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)顯示在HMI 人機(jī)界面處。從圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖中，可以清楚地看出，控制器位于整個系統(tǒng)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(yùn)、風(fēng)機(jī)、5 個電機(jī)的電流、3 個電機(jī)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(jìn)行分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的整體動作控制，即通過控制器反饋的信號，即5 電機(jī)的啟動與暫停、電機(jī)的漏電檢測以及警鈴等來確保掘進(jìn)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對其系統(tǒng)各個運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)。

針對目前電器元件壽命太低的問題，應(yīng)該就市場的主流元件進(jìn)行性能對比，選擇適合惡劣工作環(huán)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(jìn)行重新選型，具體見表1。

表1 部分元器件明細(xì)表

4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的軟件研究與設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分包括主程序的設(shè)計(jì)、子程序的設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)管理程序的設(shè)計(jì)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)管理程序的設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)判定處理程序的設(shè)計(jì)以及可視化頁面程序設(shè)計(jì)等。

（1）設(shè)計(jì)的主程序的主要功能是各通訊工具啟動后，對其子程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用。即在系統(tǒng)開機(jī)后，對子程序包括程序初始化、狀態(tài)管理程序、電機(jī)管理程序以及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)判定處理程序進(jìn)行合適的調(diào)用。

（2）程序初始化的設(shè)計(jì)。初始化即控制器通過CAN 子程序?qū)崿F(xiàn)對PDO 的管理，進(jìn)而對整個系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（3）運(yùn)行狀態(tài)管理程序的設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖3 所示。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖3 管理程序流程圖

（4）電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)管理程序的設(shè)計(jì)。該程序主要是針對電機(jī)的運(yùn)行情況來進(jìn)行記錄，采集數(shù)據(jù)為運(yùn)行狀態(tài)的分析處理做準(zhǔn)備。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)程序架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)管理程序架構(gòu)圖

（5）運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)判定以及處理故障程序設(shè)計(jì)。該部分將系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電機(jī)等相結(jié)合，確保機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)判別的準(zhǔn)確性以及第一時間對已出現(xiàn)或者潛在故障做出反應(yīng)。該程序流程圖如圖5 所示。

圖5 運(yùn)行狀態(tài)判定、處理程序流程圖

5 結(jié)論

同煤集團(tuán)王坪煤電公司設(shè)計(jì)研究的掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)，通過對電控系統(tǒng)硬件軟件的設(shè)計(jì)研究，有效地解決了現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路不明確、元件以及系統(tǒng)可靠性不高的問題。在模擬礦井掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性，預(yù)計(jì)后期系統(tǒng)開發(fā)成熟后，投入實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中時，可以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。