井下悬臂式掘进机电控系统改进设计与研究

刘尧青

（同煤集团朔州朔煤王坪煤电公司，山西 朔州 038300）

1 掘进机现存问题与改进方向分析

同煤集团朔州煤电王坪煤矿综掘工作面使用最多的是悬臂式纵轴掘进机。该机器截割部体积小、功率大的特点导致其切削力大，工作效率高；纵向的切割方式，使其适应性更强；星轮式的装载设计，有利于提高机器持续运转的时间，降低出现故障的几率；与其配合的输送机使用的是稳定性较高的双边链式结构；在输送带的内外两侧均设有雾化机构，便于最大程度地降低运行中的煤尘。限制悬臂式掘进机发展的一个重要问题即电控系统，目前电气控制系统主要有以下3 方面的问题：

（1）目前电控系统电子元件寿命较低，故障出现次数较多。

（2）电控系统的整体设计思路较模糊，逻辑语言较混乱，故障出现时，排查浪费大量时间。

（3）对系统软件设计工作不够重视，应结合矿井自身特点进行软件的重新设计。

通过对目前掘进机问题的分析研究，确定了本文关于掘进机电控系统的研究方向：首先明确掘进机电控系统的总体设计方案，其次对系统的硬件进行设计，最后设计软件系统，实现软硬件的最佳结合效果，提高系统的可靠性以及适应性。

2 悬臂式掘进机的概况

电控系统即掘进机的控制系统，保证了掘进机的正常工作。EBZ200 的悬臂式掘进机在王坪煤矿中被作为多个采掘工作面的掘进设备，该机器的适应性强，可以用于不同类型的巷道掘进。该机器的主体结构如图1 所示。

图1 EBZ200 掘进机的主体结构示意图

本文主要是针对掘进机的电气控制部分进行改进设计与研究，从而实现掘进机更高效更稳定的运行。

3 悬臂式掘进机电气控制系统的总体设计

控制器是掘进机电气控制系统的关键，控制器必须实现发号施令、收集一线数据并对其进行处理、检测元件、识别机器运转状态、提示以及处理故障等的功能，除此之外还需要进行人机交互，对工作人员的指令进行识别并做出反应，并将机器的运转参数显示在HMI 人机界面处。从图2 控制系统总体结构示意图中，可以清楚地看出，控制器位于整个系统中心位置，控制器采集的信号包括操作箱控制按钮、油泵、截割高速、截割低速、二运、风机、5 个电机的电流、3 个电机的温度、油位油压传感器反馈的油温、油压等信号、瓦斯断电仪以及急停闭锁等信号。通过对采集的信号进行分析处理，进而实现对掘进机的整体动作控制，即通过控制器反馈的信号，即5 电机的启动与暂停、电机的漏电检测以及警铃等来确保掘进机的安全运转，实现对其系统各个运行状态的保护。

针对目前电器元件寿命太低的问题，应该就市场的主流元件进行性能对比，选择适合恶劣工作环境的元器件。其中控制器选择高性能处理器、多功能信号端口的Inter Control 公司的DCF-I 控制器。为配合控制器，对其元器件进行重新选型，具体见表1。

表1 部分元器件明细表

4 悬臂式掘进机电控系统的软件研究与设计

掘进机电控系统的软件设计部分包括主程序的设计、子程序的设计、运行状态管理程序的设计、电机运行状态管理程序的设计、运转状态判定处理程序的设计以及可视化页面程序设计等。

（1）设计的主程序的主要功能是各通讯工具启动后，对其子程序实现调用。即在系统开机后，对子程序包括程序初始化、状态管理程序、电机管理程序以及运转状态判定处理程序进行合适的调用。

（2）程序初始化的设计。初始化即控制器通过CAN 子程序实现对PDO 的管理，进而对整个系统中采集的数据进行处理。

（3）运行状态管理程序的设计。程序设计的流程图如图3 所示。

图2 悬臂式掘进机控制系统总体结构图

图3 管理程序流程图

（4）电机运行状态管理程序的设计。该程序主要是针对电机的运行情况来进行记录，采集数据为运行状态的分析处理做准备。电机运行状态程序架构如图4 所示。

图4 电机运行状态管理程序架构图

（5）运转状态判定以及处理故障程序设计。该部分将系统的运转、电机等相结合，确保机器运转状态判别的准确性以及第一时间对已出现或者潜在故障做出反应。该程序流程图如图5 所示。

图5 运行状态判定、处理程序流程图

5 结论

同煤集团王坪煤电公司设计研究的掘进机电气控制系统，通过对电控系统硬件软件的设计研究，有效地解决了现有掘进机电控系统总体设计思路不明确、元件以及系统可靠性不高的问题。在模拟矿井掘进机运转过程中，该系统表现出了很好的稳定性，预计后期系统开发成熟后，投入实际的生产当中时，可以带来很好的经济效益。