一種模塊化掘錨一體設(shè)備電控系統(tǒng)研究

摘 要：介紹了一種掘錨機(jī)電控系統(tǒng)方案，其在現(xiàn)有掘錨機(jī)電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把每一個(gè)子部件按照信號(hào)類型、功能劃分成獨(dú)立模塊。高度模塊化的設(shè)計(jì)思路，可以解決掘錨一體化設(shè)備在掘進(jìn)和支護(hù)模式下信號(hào)傳遞與顯示困難的問題，讓主機(jī)控制體系與鉆錨控制體系高度契合。模塊化設(shè)計(jì)還可以解決系統(tǒng)故障難以查找和更換等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際難題，更加高效地使用智能化掘錨一體設(shè)備，減少故障發(fā)生，避免人員危險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：掘錨機(jī)電氣系統(tǒng)；鉆機(jī)控制；模塊化；智能化掘錨機(jī)

中圖分類號(hào)：TD421" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）14-0077-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.018

0" " 引言

當(dāng)今煤礦生產(chǎn)中綜采環(huán)節(jié)和掘進(jìn)環(huán)節(jié)是兩個(gè)不可或缺的部分，在掘進(jìn)工作面，掘錨一體化設(shè)備已經(jīng)是發(fā)展所趨，發(fā)揮著不可替代的作用[1]。

本文介紹一種縱軸掘錨機(jī)電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)與機(jī)械、液壓等部分配合，可自如地實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種生產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)對(duì)截割電機(jī)、油泵電機(jī)、二運(yùn)電機(jī)、水泵電機(jī)等的工況及回路的絕緣情況進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。采用無線通信裝置設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控和遙控一鍵打鉆、錨固等功能，達(dá)到各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運(yùn)行的目的。

但是目前掘錨一體設(shè)備的電氣系統(tǒng)存在一些問題，其中一個(gè)主要的問題是電氣系統(tǒng)模塊化程度不高，主要體現(xiàn)在掘進(jìn)和支護(hù)模式下，掘錨機(jī)電機(jī)參數(shù)、傳感器參數(shù)、鉆機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)無法在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)掘錨一體機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，查找問題困難、理線困難、器件更換困難[2-3]。在日常礦方生產(chǎn)過程中，掘錨機(jī)電氣系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障導(dǎo)致頻繁停機(jī)，影響生產(chǎn)效率并引發(fā)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種模塊化的電控系統(tǒng)。

1" " 方案設(shè)計(jì)意義

本方案提供一種模塊化的縱軸掘錨一體設(shè)備電控系統(tǒng)，可以有效解決現(xiàn)有方案中存在的模塊化程度不高、故障查找困難等問題，避免縱軸掘錨機(jī)在掘進(jìn)或者支護(hù)狀態(tài)下，由于功能劃分不清楚，設(shè)備頻繁停機(jī)，增加故障率及人員安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。

研發(fā)縱軸掘錨機(jī)電控系統(tǒng)，可以更好地滿足掘錨機(jī)的使用需求，對(duì)提高礦用掘錨機(jī)的控制性能，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。根據(jù)電控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以得出整機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，保證高效掘進(jìn)和臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，使掘錨機(jī)更加穩(wěn)定、可靠、高效[4]。

2" " 技術(shù)方案

2.1" " 方案綜述

本方案設(shè)計(jì)結(jié)合電控箱與操作箱，將整體劃分為10個(gè)模塊：第一控制器1、第一電流變送器2、第二電流變送器3、操作箱4、第一傳感器5、第二傳感器6、漏電檢測(cè)模塊7、第二控制器8、第一輸出模塊9、第二輸出模塊10。下面通過電控系統(tǒng)信號(hào)示意圖（圖1）對(duì)全部方案功能和布局進(jìn)行介紹。

2.2" " 掘錨機(jī)電控系統(tǒng)信號(hào)部分

整套系統(tǒng)中涉及的信號(hào)處理有五個(gè)類別：模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、CAN總線通信、MODBUS總線通信。

第一控制器1為掘錨機(jī)控制器，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用IC系列的控制器，控制器具有掘進(jìn)與支護(hù)兩種工作模式。

第一電流變送器2與第一控制器1電性連接，用于向第一控制器傳輸?shù)谝唤M電機(jī)的模擬量輸入信號(hào)，第一組電機(jī)模擬量包括油泵電機(jī)的電流信號(hào)、截割電機(jī)截割高速電流、二運(yùn)電機(jī)的電流信號(hào)；第二電流變送器3與第一控制器1通過CAN網(wǎng)橋電性連接，用于向第一控制器傳輸?shù)诙M電機(jī)的模擬量輸入信號(hào)，第二組電機(jī)信號(hào)包括備用電機(jī)電流、截割電機(jī)截割低速電流。

操作箱4與第一控制器1電性連接（圖1左下方），用于向第一控制器1傳輸?shù)谝活悢?shù)字輸入信號(hào)（例如各個(gè)電機(jī)的啟停信號(hào)、操作箱急停閉鎖信號(hào)、掘進(jìn)/支護(hù)模式選擇信號(hào)等）；第一傳感器5與第一控制器1通過閾值開關(guān)電性連接，用于向第一控制器1傳輸?shù)诙悢?shù)字輸入信號(hào)（例如油溫傳感器、油位傳感器、甲烷傳感器）；第二傳感器6與第一控制器1電性連接，用于向第一控制器1傳輸?shù)谌悢?shù)字輸入信號(hào)（例如各個(gè)電機(jī)過熱保護(hù)信號(hào)）；漏電檢測(cè)模塊7與第一控制器1直接連接，用于向第一控制器1傳輸截割電機(jī)、油泵電機(jī)或者二運(yùn)電機(jī)漏電急停等信號(hào)。

第二控制器8將在下文單獨(dú)章節(jié)進(jìn)行說明。

第一輸出模塊9與第一控制器1通過MODBUS總線通信連接，用于顯示第一數(shù)字量輸出信號(hào)，第一數(shù)字量輸出信號(hào)包括各個(gè)電機(jī)過熱輸出信號(hào)、急停閉鎖信號(hào)、支護(hù)閥選擇信號(hào)、油溫、油位、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)字量信號(hào)；第二輸出模塊10直接與第一控制器1連接，用于輸出第二數(shù)字量輸出信號(hào)，包括油泵電機(jī)開關(guān)量信號(hào)、截割電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)開關(guān)量信號(hào)、截割電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)開關(guān)量信號(hào)、二運(yùn)電機(jī)開關(guān)量信號(hào)、警鈴和照明燈的啟動(dòng)信號(hào)。

2.2.1" " 特殊設(shè)計(jì)——鉆錨控制器

圖1中第二控制器8為鉆錨控制器，鉆錨控制器信號(hào)通過CAN網(wǎng)橋，將鉆機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)傳至第一控制器1。

如圖2所示，鉆機(jī)操作箱按鈕信號(hào)可以通過此路徑驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，同時(shí)可以在主機(jī)顯示屏上看見實(shí)時(shí)信息。同樣地，使用遙控器也可以控制或監(jiān)控鉆機(jī)狀態(tài)，當(dāng)遙控器動(dòng)作信號(hào)經(jīng)過SY1接收模塊傳至第二控制器，第二控制器輸出動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)信息，收到的信息通過CQ-CANBUS采集驅(qū)動(dòng)板到達(dá)CAN網(wǎng)橋，之后一路信號(hào)經(jīng)過第一控制器到達(dá)顯示屏進(jìn)行顯示，另外一路信號(hào)經(jīng)過SY1接收模塊在遙控器上顯示。

此系統(tǒng)完全獨(dú)立，與掘錨機(jī)主機(jī)控制系統(tǒng)彼此互不干涉，但是其中運(yùn)行參數(shù)又可以使用主機(jī)顯示器或者通過主機(jī)MODBUS總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，巧妙地連接主機(jī)控制器和鉆機(jī)控制器。

2.2.2" " 掘錨機(jī)主程序設(shè)計(jì)

掘錨機(jī)電控系統(tǒng)具有掘進(jìn)與支護(hù)兩種工作模式。如圖3所示，開機(jī)初始化后，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)，然后選擇“掘進(jìn)”或“支護(hù)”模式，控制系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)子程序和畫面。

其中第一部分初始化子程序包括CAN通信管理子程序、PDO管理映射、MODBUS總線通信，數(shù)據(jù)參數(shù)賦值子程序。系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序包括警鈴響應(yīng)、控制器IO初始化、站點(diǎn)通信監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)、低壓漏電監(jiān)測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)，通過這一步檢測(cè)可以知道設(shè)備系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)是否有啟動(dòng)的條件。系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序包括電機(jī)電流測(cè)量、電機(jī)溫度測(cè)量、各個(gè)電機(jī)故障判斷、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間寫入，這一步的目的是判斷電機(jī)是否在允許啟動(dòng)的狀態(tài)上。之后電氣系統(tǒng)啟動(dòng)就可以按照工作計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

2.3" " 掘錨機(jī)電控系統(tǒng)硬件部分

本方案中電控箱硬件部分（圖4）包括：第一控制器1、第一電流變送器2、第二電流變送器3、操作箱4、第一傳感器5、第二傳感器6、漏電檢測(cè)模塊7、第二控制器8、第一輸出模塊9、第二輸出模塊10。

主要工作邏輯如下：系統(tǒng)主要電流（例如截割高速電流、油泵電流和二運(yùn)電流）通過第一電流變送器2轉(zhuǎn)換為小電流，第二電流變送器3工作原理與第一電流變送器相同，其主要負(fù)責(zé)備用電機(jī)電流信號(hào)和截割低速電流信號(hào)。其中第一電流變送器直連控制器，第二電流變送器要經(jīng)過CAN-Bridge將實(shí)時(shí)的電流模擬量信號(hào)傳輸?shù)降谝豢刂破鳌C(jī)身動(dòng)作可以通過操作箱4上面所安裝的按鈕操作，按鈕的數(shù)字量開關(guān)信號(hào)直接傳輸進(jìn)第一控制器。當(dāng)出現(xiàn)任意電機(jī)漏電的情況，電機(jī)漏電檢測(cè)繼電器吸合，再通過漏電檢測(cè)模塊7將信號(hào)傳輸至第一控制器。數(shù)字量傳感器信號(hào)通過第一傳感器5和第二傳感器6傳輸至第一控制器。第一輸出模塊9和第二輸出模塊10可以借助顯示屏來展示控制器輸入的模擬量和數(shù)字量，正常工作情況下借助此系統(tǒng)可以直觀地知道信號(hào)是否準(zhǔn)確。

第一控制器收到各個(gè)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，會(huì)輸出對(duì)應(yīng)開關(guān)量信號(hào)，直接控制各個(gè)電機(jī)的啟停；當(dāng)漏電檢測(cè)模塊檢測(cè)到存在漏電時(shí)，控制器將對(duì)每個(gè)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)，確定具體發(fā)生漏電的電機(jī)；警鈴、照明燈和支護(hù)閥組選擇由控制器輸出開關(guān)量啟動(dòng)。

第二控制器8為鉆臂的控制器，在信號(hào)部分已經(jīng)介紹其工作原理。在硬件部分，第二控制器經(jīng)過CAN-Bridge與主機(jī)的第一控制器進(jìn)行連接。鉆機(jī)平臺(tái)有五個(gè)傳感器，信號(hào)統(tǒng)一傳輸至CQ-CANBUS采集驅(qū)動(dòng)板，然后通過CAN總線傳至控制器，可以得出鉆機(jī)實(shí)時(shí)的位置角度等。另遙控器設(shè)有一鍵打鉆、一鍵錨固功能，控制器收到信號(hào)后，運(yùn)行程序設(shè)定的操作，輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一鍵打鉆、錨固功能。

操作箱4硬件部分包括：油泵電機(jī)、截割電機(jī)、二運(yùn)電機(jī)、水泵電機(jī)和備用電機(jī)的啟停按鍵，所有的急停閉鎖按鈕、掘錨一體機(jī)所有的功能按鍵、報(bào)警按鍵、掘進(jìn)/支護(hù)切換按鈕及支護(hù)閥各個(gè)功能按鈕。

3" " 方案優(yōu)點(diǎn)及總結(jié)

通過上述對(duì)于全套方案信號(hào)部分和硬件部分的說明，全面闡述了此方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。

整套電氣系統(tǒng)采用高度模塊化的思路設(shè)計(jì)，當(dāng)生產(chǎn)過程中設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，可通過電氣硬件連接圖和信號(hào)示意圖，快速找到問題點(diǎn)，易于快速鎖定問題部件，進(jìn)行器件維修和更換。而且高度模塊化設(shè)計(jì)有利于安裝和維護(hù)時(shí)整理線路。

整套系統(tǒng)通信采用CAN加MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，可以實(shí)時(shí)在顯示屏上顯示掘錨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)包含電機(jī)溫度保護(hù)、漏電檢測(cè)、電流檢測(cè)等功能，豐富的傳感器檢測(cè)到異常時(shí)可以及時(shí)停機(jī)，獨(dú)立的鉆機(jī)控制系統(tǒng)不會(huì)影響到其他電控系統(tǒng)，多個(gè)閉鎖加強(qiáng)了整機(jī)的安全性。

通過特殊的設(shè)計(jì)巧妙結(jié)合了鉆機(jī)控制系統(tǒng)和主機(jī)控制系統(tǒng)，在二者之間鉆機(jī)信息可以實(shí)時(shí)暢通。通過主機(jī)或者遠(yuǎn)程顯示器可以在任意時(shí)間獲得鉆臂實(shí)際工作情況，且此交互系統(tǒng)兼容鉆機(jī)遙控器和鉆機(jī)本地操作臺(tái)。鉆機(jī)系統(tǒng)和掘錨機(jī)主機(jī)系統(tǒng)之間不存在依賴關(guān)系，當(dāng)任一系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，不影響另一系統(tǒng)正常工作。

整套方案貼近智能化掘錨一體化設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際困難，如機(jī)械化程度不高、人員作業(yè)環(huán)境惡劣、圍巖支護(hù)機(jī)械化程度低等[5-6]，提供了一種解決問題的思路，有效提高了煤礦生產(chǎn)效率，讓掘錨一體化設(shè)備的智能化程度更上一個(gè)臺(tái)階?？煽康木蝈^機(jī)電控系統(tǒng)能提高掘錨機(jī)的工作效率，使掘錨機(jī)更加穩(wěn)定高效，達(dá)到增產(chǎn)提效、安全生產(chǎn)的目的，對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)采掘平衡和掘進(jìn)工作面智能化具有現(xiàn)實(shí)意義。

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收稿日期：2024-03-29

作者簡(jiǎn)介：李靜（1984—），男，河南洛陽人，工程師，主要從事采掘裝備電氣及智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。