趙岱昕

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西晉中 030600）

0 引言

隨著國(guó)家煤礦資源的大量開(kāi)采，越來(lái)越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到煤礦開(kāi)采中，而EBZ230型礦用掘進(jìn)機(jī)則是其中重要的煤礦開(kāi)采設(shè)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(kāi)采效率及作業(yè)安全的關(guān)鍵[1-3]。而由于井下環(huán)境的惡劣性，加上該設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行和技術(shù)水平的不斷發(fā)展，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)綜合性能已無(wú)法較好地滿足掘進(jìn)機(jī)的控制需求，加大對(duì)電氣控制系統(tǒng)的性能提升研究，已成為當(dāng)下研究的重要內(nèi)容[4-6]。因此，以EBZ230型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及存在故障問(wèn)題為分析基礎(chǔ)，開(kāi)展了電氣控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)分析研究，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有更高的控制性能，能更好地滿足掘進(jìn)機(jī)的使用需求，這對(duì)提高礦用掘進(jìn)機(jī)的控制性能和作業(yè)效率、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 電氣控制系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)是煤礦領(lǐng)域的重要設(shè)備，根據(jù)其使用工況及作業(yè)條件的不同，掘進(jìn)機(jī)的電機(jī)、截割部等部分的配置也不盡相同?，F(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)主要由掘進(jìn)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(jìn)部分是該設(shè)備機(jī)械部分的關(guān)鍵系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要由減速器、截割頭、電機(jī)、截割臂、固定架等組成，通過(guò)各部件的相互配合，完成對(duì)煤層的掘進(jìn)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(qū)動(dòng)電機(jī)、電鈴、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、照明燈及若干電纜等組成，其中，電控箱則是整套系統(tǒng)的核心部分，是整個(gè)系統(tǒng)的控制大腦，控制著整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主要用于放置掘進(jìn)機(jī)中的各類元器件及控制部件，采用了隔爆型設(shè)計(jì)，兼顧本安型電器設(shè)備，由鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)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(gè)運(yùn)行及故障指示燈、開(kāi)關(guān)按鈕等，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)，可將系統(tǒng)中的電壓、電壓等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、信號(hào)提示及命令啟動(dòng)等。

2 系統(tǒng)故障問(wèn)題分析

掘進(jìn)機(jī)在使用過(guò)程中，由于井下環(huán)境相對(duì)惡劣，加上掘進(jìn)機(jī)的超負(fù)荷作業(yè)，導(dǎo)致現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各類故障問(wèn)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(hù)電路等整體具有較低的可靠性，運(yùn)行一段時(shí)間后經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行、檢測(cè)精度低、整體抗干擾性差等問(wèn)題，致使無(wú)法較好地滿足掘進(jìn)機(jī)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(dāng)其在較大潮濕環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中，出現(xiàn)了反應(yīng)不靈敏、失靈等問(wèn)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(bào)警提示，并在液晶顯示界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，但基本未設(shè)置故障報(bào)警燈，無(wú)法對(duì)故障的具體類型及故障等級(jí)進(jìn)行具體顯示；

（4）由于電氣控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，未進(jìn)行統(tǒng)一，在檢修各個(gè)電子元器件靈便性和線路虛接、脫線等情況時(shí)，都需要對(duì)照不同電氣原理圖來(lái)檢修，操作較為麻煩；

（5）隨著控制技術(shù)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(wú)法正常升級(jí)，導(dǎo)致部分功能已無(wú)法滿足掘進(jìn)機(jī)的控制需求。

3 電氣控制系統(tǒng)改進(jìn)研究

3.1 新型系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有EBZ230型掘進(jìn)機(jī)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(yīng)用基礎(chǔ)上，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)研究。整體系統(tǒng)采用了隔爆型電控箱，電源采用交流轉(zhuǎn)直流后的24 V電源，在檢測(cè)集成器方面采用了BH9型的4AD模塊，以此替代原有的保護(hù)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的較好保護(hù)作用。同時(shí)，現(xiàn)有控制系統(tǒng)的電路相對(duì)復(fù)雜，故針對(duì)此情況，將電控改造為了信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號(hào)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(shí)操作，改進(jìn)后的顯示屏采用了觸屏方式進(jìn)行操作，并增加了對(duì)掘進(jìn)機(jī)漏電情況、井下瓦斯?jié)舛惹闆r、設(shè)備振動(dòng)情況等相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。由于原有掘進(jìn)機(jī)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(tái)，因此，將其統(tǒng)一改為了220 V電壓，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化，方便了后期的設(shè)備檢查和維修。新型電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框架如圖1所示。

3.2 關(guān)鍵部分改造分析

3.2.1 系統(tǒng)信號(hào)采集設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，涉及到較多種類的運(yùn)行信號(hào)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、設(shè)備振動(dòng)情況、設(shè)備工作溫度等，因此，針對(duì)此些參數(shù)的檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了信號(hào)采集設(shè)計(jì)。在掘進(jìn)機(jī)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(shè)備工作過(guò)程中的溫度進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，其檢測(cè)精度可達(dá)0.1℃，并將其傳輸至BH9保護(hù)模塊中；針對(duì)設(shè)備的工作電壓?jiǎn)栴}，配備了CSP2-1 500 V型變壓器，將外界電壓轉(zhuǎn)為設(shè)備運(yùn)行所需的5 V、12 V等不同電壓值，且其轉(zhuǎn)換速度較快，方便了系統(tǒng)對(duì)電壓平臺(tái)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)；而針對(duì)系統(tǒng)中的液壓油位置檢測(cè)問(wèn)題，采用了電子浮漂式裝置，當(dāng)液壓油出現(xiàn)油溫過(guò)高、液位較低或較高等問(wèn)題時(shí)，該設(shè)備可較快地完成對(duì)故障的檢測(cè)及發(fā)出滴答的報(bào)警提示。由此完成了對(duì)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)。

3.2.2 CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)所設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(hù)所有設(shè)備的通訊口。

3.2.3 電氣控制箱設(shè)計(jì)

圖1 新型電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

該電氣控制箱安裝在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身后方左側(cè)位置，主要用于安裝掘進(jìn)機(jī)中的各類動(dòng)作元件、電路板、控制元件等部件。整個(gè)箱體按照隔爆型和安全型原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在門板上增設(shè)機(jī)械聯(lián)鎖，可實(shí)現(xiàn)切換開(kāi)關(guān)在非停止位置時(shí)禁止開(kāi)門功能，并將箱內(nèi)的上箱設(shè)置為接線腔，各種電線可通過(guò)該腔實(shí)現(xiàn)與其他元器件的連接通信，同時(shí)，將其下部設(shè)置為控制元件腔，可安裝各類隔離開(kāi)關(guān)、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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在門板上增加FX2N-64MR可編程控制器、開(kāi)關(guān)電源、BH9綜合信號(hào)轉(zhuǎn)化裝置等設(shè)備。通過(guò)此改進(jìn)設(shè)計(jì)，電氣控制箱的布局更加合理，元器件與接線頭處實(shí)現(xiàn)了較好的分離，可有效提高箱內(nèi)元器件使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。

圖2 礦用掘進(jìn)機(jī)CANOpen通訊架構(gòu)圖

4 實(shí)際使用效果分析

結(jié)合前文改進(jìn)后的EBZ230掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)，為進(jìn)一步掌握其系統(tǒng)的運(yùn)行效果，將其在實(shí)際煤礦中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，主要將該系統(tǒng)安裝在該掘進(jìn)機(jī)設(shè)備中，開(kāi)展了將近3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：

（1）該系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，各項(xiàng)功能均運(yùn)行正常，系統(tǒng)整體可靠性較高，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電機(jī)電壓、振動(dòng)程度、運(yùn)行功率等各類參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，較好地滿足了掘進(jìn)機(jī)的使用需求；

（2）該系統(tǒng)針對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的溫度過(guò)高、振動(dòng)劇烈、線路短路等故障問(wèn)題及時(shí)發(fā)出了不同類型的報(bào)警提示，并在顯示屏上進(jìn)行了故障的實(shí)時(shí)顯示；

（3）該系統(tǒng)中顯示界面對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的快速保存，同時(shí)，將所需的參數(shù)繪制成相應(yīng)的曲線形式，并在顯示屏上進(jìn)行顯示；

（4）該系統(tǒng)的應(yīng)用，得到了現(xiàn)場(chǎng)人員的一致認(rèn)可，建議將該系統(tǒng)在更多掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)有控制技術(shù)的不斷提升，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的控制水平也無(wú)法滿足當(dāng)下設(shè)備的控制需求，加大對(duì)電氣控制系統(tǒng)的性能提升研究，已成為當(dāng)下研究的重要內(nèi)容。由此，本文分析了EBZ230型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及存在的故障問(wèn)題，開(kāi)展了電氣控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，針對(duì)該系統(tǒng)中關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，最終將該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有更高的控制性能，能更好地滿足掘進(jìn)機(jī)的使用需求，得到了人員的一致好評(píng)，這對(duì)提高礦用掘進(jìn)機(jī)的控制性能及作業(yè)安全具有重要作用。