掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的分析及電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鵬

（同煤集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

目前，掘進(jìn)機(jī)是在煤礦中使用最廣泛的用來完成采掘作業(yè)的技術(shù)設(shè)備，可以進(jìn)行破煤、掘進(jìn)、物料回收、運(yùn)輸和除塵等相關(guān)的井下掘進(jìn)開采工作。根據(jù)工作方式的不同可以將掘進(jìn)機(jī)分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，它們有著掘進(jìn)速度快、機(jī)械化程度高和安全性好的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但是由于井下條件復(fù)雜，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在工作面進(jìn)行作業(yè)時(shí)常有故障發(fā)生。此外，一些元件的基礎(chǔ)質(zhì)量和電控系統(tǒng)也不太完善。為了提高掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性，提高工作效率和安全性。以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，分析其結(jié)構(gòu)，然后對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

以懸臂式掘進(jìn)機(jī)（型號(hào)EBZ260）為例進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)研究。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是目前采煤工作面使用最為廣泛的掘進(jìn)系統(tǒng)，它由本體機(jī)構(gòu)、行動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)組成[3]，適用于各種地質(zhì)條件下的巷道掘進(jìn)工作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的截割面可以達(dá)到31 m3，可以滿足的最大巷道的寬度為6.3 m，最大的巷道高度可達(dá)5.2 m。此外，它可以對(duì)截割硬度為110 MPa 的巖層進(jìn)行切割，可以滿足最大的單向抗壓強(qiáng)度為90 MPa 的巖層。其各個(gè)結(jié)構(gòu)的組成和主要功能如下：

1）本體機(jī)構(gòu)。主要用來承載掘進(jìn)機(jī)來自切割部、行走部和運(yùn)行部的荷載，也是整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的框架，由機(jī)架臺(tái)和回轉(zhuǎn)臺(tái)組成。

2）行動(dòng)機(jī)構(gòu)。完成掘進(jìn)機(jī)的移動(dòng)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)一般選用履帶式行動(dòng)機(jī)構(gòu)，由兩條分別驅(qū)動(dòng)的履帶組成。

圖1 EBZ260 型號(hào)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3）切割結(jié)構(gòu)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的切割部分包括懸臂、切割刀具、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)減速箱和結(jié)構(gòu)安裝防護(hù)支架組成。它的工作原理是驅(qū)動(dòng)電機(jī)將動(dòng)力傳送至截割頭的減速運(yùn)動(dòng)箱，減速運(yùn)動(dòng)箱通過截割臂將動(dòng)力傳至切割刀具進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。該系統(tǒng)中還有液壓部分來配合減速運(yùn)動(dòng)箱控制切割刀具的移動(dòng)。

4）裝運(yùn)機(jī)構(gòu)。將掘進(jìn)開采后的煤炭或物料運(yùn)向運(yùn)輸機(jī)，完成運(yùn)輸任務(wù)，主要由鏟板、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)鏟板組成。在裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置一般選擇速率低但是扭矩大的液壓馬達(dá)。

5）支撐機(jī)構(gòu)。主要用來固定工作時(shí)的掘進(jìn)機(jī)，起到穩(wěn)固機(jī)器、減少巖層反作用力的作用，由重力支架組成。

6）電控系統(tǒng)。是掘進(jìn)機(jī)中負(fù)責(zé)控制所有電氣系統(tǒng)的設(shè)備。負(fù)責(zé)收集掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)和井下地質(zhì)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些反饋結(jié)合實(shí)際情況，來完成掘進(jìn)開采作業(yè)。

2 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，在工作面上往往空氣濕度大，并且混雜著各種煤塵和雜質(zhì)，例如SO2、N0、NO2等腐蝕性氣體也比較多。此外，在采掘機(jī)運(yùn)行時(shí)的劇烈振動(dòng)會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生損傷。所以在選用硬件時(shí)要滿足抗震、耐腐蝕和低故障率的裝置。

2.1 控制器的設(shè)計(jì)

為了滿足井下工作條件，要求電控系統(tǒng)的控制器要穩(wěn)定、防護(hù)等級(jí)高，可以適應(yīng)振動(dòng)大、濕度強(qiáng)的井下環(huán)境，一般的PLC 不適用于上述要求。為了滿足上述條件，選用Inter Control 公司的DCF-1 控制器作為處理核心[4]。該控制器的通訊接口（輸入端和輸出端）比較多、存儲(chǔ)空間也比較大。懸臂式掘進(jìn)機(jī)組成機(jī)構(gòu)比較多，工作環(huán)境復(fù)雜，需要控制的變量和電氣設(shè)備（包括電機(jī)和傳感器）也很多，DCF-1 控制器豐富的通訊接口可以滿足懸臂式掘進(jìn)機(jī)的電氣控制要求。

2.2 硬件的設(shè)計(jì)

2.2.1 電源的設(shè)計(jì)

電氣機(jī)構(gòu)的電源部分由控制變壓器、高壓熔斷器、空氣斷路器、本安直流電源和非本安直流電源組成[5]?？刂谱儔浩鬟x擇額定容量為1.9 kVA 的變壓器，要求電壓的波動(dòng)范圍位于-20%～+15%。在電源系統(tǒng)中，本安電源為110 V，為控制器和其他電氣設(shè)備供電的電源為24 V，5 V 為總線在隔離模塊中的電壓值。

2.2.2 保護(hù)單元的設(shè)計(jì)

保護(hù)單元由低壓/高壓漏電監(jiān)測(cè)模塊、電壓變送器、電流變送器、耦合器和各種傳感器組成。使用Pt100 溫度傳感器來反饋工作溫度，然后通過CANopen 總線把收集到的信息傳往控制器。監(jiān)測(cè)漏電模塊和耦合器則分布在各個(gè)結(jié)構(gòu)的絕緣部，在電源啟動(dòng)和各個(gè)系統(tǒng)開始工作前進(jìn)行漏電監(jiān)測(cè)。此外，位于郵箱的液油傳感器將監(jiān)測(cè)油溫和液位，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往控制器來判定是否繼續(xù)保護(hù)。

2.2.3 控制單元的設(shè)計(jì)

控制單元主要由Inter Control 公司的DCF-1 控制器組成，結(jié)合上述的電源器件和保護(hù)的單元，控制器負(fù)責(zé)信息的采集、處理和系統(tǒng)控制?？刂茊卧挠布O(shè)置主要由各個(gè)控制點(diǎn)、各個(gè)系統(tǒng)保護(hù)點(diǎn)、中間繼電器和各個(gè)元件的輸入和輸出接點(diǎn)組成?？刂破鬟x擇DCF-1，中間繼電器選擇CAN 光隔離中間繼電器。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN 信號(hào)的隔離操作，還可以放大系統(tǒng)中的信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。

2.3 硬件系統(tǒng)的布置和安裝

結(jié)合上述硬件設(shè)計(jì)，選用礦用防爆電控箱來對(duì)電控系統(tǒng)繼續(xù)安裝，其結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。在電控箱的上側(cè)為接線腔，設(shè)有接線端子。下側(cè)為主腔，主腔底部安裝保護(hù)單元、變壓器和繼電器。在主腔上部安裝耦合器和傳感器，左側(cè)安裝控制器。

3 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 電控箱結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述功能和硬件介紹，首先根據(jù)如圖3 的主程序流程圖完成主程序軟件設(shè)計(jì)。它的主要作用是在各個(gè)元件和子程序開始啟動(dòng)后，通過等待和命令控制，完成對(duì)各個(gè)子程序的調(diào)用。

在完成主程序的軟件設(shè)計(jì)后，繼續(xù)初始化子程序的設(shè)計(jì)，它主要是通過控制器對(duì)CANOpen 的設(shè)備進(jìn)行管理，同時(shí)對(duì)傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，它的系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 初始化子程序流程圖

系統(tǒng)狀態(tài)的子程序是對(duì)控制器進(jìn)行I/O 初始化，然后將內(nèi)部控制和外部I/O 完成映射起到對(duì)系統(tǒng)各個(gè)工作部分的監(jiān)測(cè)工作。包括漏電監(jiān)測(cè)輸入計(jì)算、系統(tǒng)進(jìn)出電壓的監(jiān)測(cè)和其他傳感器的監(jiān)測(cè)處理等。

電機(jī)狀態(tài)管理子程序是對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行分析處理，是針對(duì)掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的溫度、電流進(jìn)行的采集映射和處理。此外，也對(duì)電機(jī)油箱和工作時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)。

運(yùn)行狀態(tài)子程序是掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行邏輯核心，收集所處工作環(huán)境和目前的運(yùn)行狀態(tài)，直白地顯示在操作臺(tái)上，根據(jù)功能要求和相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)，提出操作意見和狀態(tài)分析結(jié)果。

4 結(jié)語

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)在井下工作時(shí)的環(huán)境要求和電氣設(shè)備要求，以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，提出了具有抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、效能好的掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其核心是Inter Control 公司的DCF-1 控制器。此外，還包括了電源、保護(hù)單元和控制單元的設(shè)計(jì)。然后根據(jù)工作要求和硬件設(shè)施，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的工作狀況，提出了掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的軟件可以完成設(shè)計(jì)要求，包括對(duì)掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)工作子程序、電控系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和管理。