用于开拓巷道的硬岩掘进机泛电气系统设计

刘文明

(潞安集团 漳村煤矿，山西 长治 046000)

岩巷掘进技术经历了炮掘、液压钻车与装岩机组合掘进以及硬岩掘进机(TBM)掘进的过程。炮掘的缺点为工作效率低、劳动强度大、巷道成型效果差、危险系数大。液压钻车加装岩机组合掘进工作效率得到大幅提高，但是操作时工序复杂、设备故障率高且排矸时间过长。硬岩掘进机(TBM)掘进截割能力强，掘进效率高，与胶带装载机和胶带运输机配套使用实现了连续截割、连续装矸，极大地提高了岩巷掘进速度。硬岩掘进机系统设计中，电气系统是其中最为关键的一部分。

1 泛电气系统设计

用于开拓巷道的硬岩掘进机泛电气系统设计不仅包括传统电气系统设计方案，还融合了计算机技术以及无线通信技术方案，见图1. 在该泛电气系统方案设计中，包含的单元模块有PLC控制单元、保护单元、驱动单元、数据采集单元、数据传输单元、遥控单元以及人机界面单元。其中，人机界面单元融合计算机技术，将硬岩掘进机运行过程中的系统参数、传感器数据、故障信息等进行显示，方便操作人员及时了解和掌握设备运行情况，也方便技术人员进行故障排除。数据传输单元融合了网络有线/无线通信技术，其实质包含CanOpen转WIFI通信模块，即接收PLC控制单元的普通数据和视频信息，并将其转换为无线信号，供硬岩掘进机的远程操作平台显示，方便远程操作，或上传至矿井工业环网。

图1 硬岩掘进机泛电气系统设计图

1.1 PLC控制单元设计

PLC控制单元是硬岩掘进机泛电气系统的核心，该单元模块是其他6个单元模块的控制核心。PLC控制单元采集单元信息，如传感器模拟量信息、按钮数字量信息后，进行逻辑判断，控制驱动单元动作。同时根据采集到的数据信息，判断该系统、电机是否需要保护。该控制单元与人机界面以CanOpen通信方式实现数据传输，与遥控单元以CanOpen通信方式实现硬岩掘进机的遥控操作[1-2]. PLC控制单元以Can通信方式将数据与数据信息传送给数据传输单元，并通过CAN转WIFI模块将数据以WIFI无线传输模式发送出去[3].

该硬岩掘进机泛电气系统PLC程序流程框图见图2. 由图2可以看出，PLC控制器为系统核心，系统将获取的数字输入信号、模拟输入信号、视频信息数据以及遥控数据都传送给PLC控制器，由其作出逻辑判断，并控制电机、电磁阀动作，同时将有用数据传送给人机界面和矿井工业环网。

图2 PLC软件控制流程图

1.2 保护单元设计

保护单元设计中有过载保护、短路保护、负序过流保护、单相接地保护、欠压和过电压等电气系统保护形式。另外还有油液保护、压力保护以及流量保护等液压系统保护形式。其设计宗旨即在该泛电气系统出现异常时，能够采用对应、准确的保护措施，避免系统、电机受到损坏。

1.3 驱动单元

驱动单元是硬岩掘进机的执行机构，PLC控制器进行逻辑判断后，控制驱动单元动作，如控制电液比例阀动作、控制电磁换向阀动作、控制油泵电机、截割电机、除尘电机等设备的启停、加减速等。

1.4 数据采集单元设计

数据采集单元是获取该泛电气系统中的各电机系统参数信息(电压、电流、温度)、油温、油位、压力、倾角、位移等传感器数据信息，作为PLC控制单元进行逻辑控制的参考。模拟量传感器信号可以是0～10 V的电压信号，也可以是4～20 mA的电流信号，在PLC控制器中需要做模数转换。同时还包括对硬岩掘进机左前方、右前方、左后方、右后方视频图像的采集，保证硬岩掘进机司机对该设备的运行状态有更全面的掌握。

1.5 数据传输单元设计

数据传输单元与PLC控制单元之间以CAN通信方式实现数据的传输。在数据传输单元中有CAN转WIFI模块，以WIFI无线网络承载硬岩掘进机电气系统信息，并发送至矿井工业环网，以被监测。

1.6 遥控单元

设计的硬岩掘进机有遥控操作模式，其功能在遥控单元中完成。在遥控单元中的遥控接收器接收遥控发生器的控制指令，并将其转发给PLC控制器，进而由PLC控制器控制驱动单元按照控制指令动作。涉及到的遥控接收器和遥控发送器之间以ZigBee无线通信模式完成控制指令以及普通数据的传输。

1.7 人机界面单元设计

人机界面单元是硬岩掘进机泛电气系统的监测和检测平台，PLC控制单元将其所有系统参数信息、传感器数据信息、输入/输出数字量信息、遥控信息、保护信息以及故障信息等数据以CanOpen通信方式传递给人机界面，便于工作人员和技术人员实时掌握该硬岩掘进机的运行状态，一旦发生故障，能够根据人机界面信息对故障进行及时、准确的排除。

2 工业性试验

设计并实现的用于开拓巷道的硬岩掘进机泛电气系统于2018年08月—2019年01月进行了为期6个月的工业性试验，具体试验情况见表1.

由表1可知，该开拓巷道的巷道断面为7.8 m2，硬岩掘进机最小每日均进尺为1.6 m，最大每日均进尺为2.6 m，经统计，2018年08月—2019年01月的平均日进尺为2.17 m. 该巷道开拓采用炮掘工艺时，平均月进尺为40 m，平均日进尺为1.3 m. 由此可以看出，在开拓巷道中采用硬岩掘进机在降低工人劳动强度的同时，掘进速度快，提高了开拓巷道的效率。另外，采用硬岩掘进机开拓巷道，其截割头对硬岩围岩的破坏小，减少了围岩松动圈的范围，提高了围岩的稳定性。

表1 掘进进尺数据表

3 结 论

设计用于开拓巷道的硬岩掘进机泛电气系统，以PLC控制技术为核心，以传感器技术为基础，融合计算机技术、网络通信技术以及视频采集技术为一体，将硬岩掘进机全面、立体、多角度的呈现与掘进机司机，使其能够更好、更高效的工作。