基于标准化的掘进机电气系统的研究及应用

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（晋能控股煤业集团晋城事业部五人组 山西 048000）

1.标准化电气系统设计的意义

标准化设计指的是在某一时间段内，面对不同或通用产品，运用共性条件，编制一致的要求与模式，落实适用性较强的设计，满足设计上完善、经济上科学、市场容量充沛的产品规划。标准化电气系统设计的前提是电气系统的模块化规划。模块是构成标准化规划产品的基本组成，模块化规划是解决复杂系统难题的合理方式。模块化规划的特征不单单是面对单个产品，而是面对整个产品体系。模块化针对产品构造来说，是特殊尺寸模数，是构造经典化、组建通用化、参数科学化、配备组合化的凝聚体。模块是组件级（总成）与子系统级的通用件，以模块能够直接组成掘进机电气系统，从而在更高层面上完成升级优化[1]。掘进机标准化电气系统的规划大致具备以下几点优势：设计效果有保障，有助于提升电控箱的配备效果，提升设计强度，有助于落实配件生产的规模化、规范化与机械化，提升生产效果，加速生产进程，有助于落实节省购买消耗，便于后期运转与保养，提升经济收益，利于职工培养，推动生产管控质量的提升。

2.标准化电气系统的设计准则

标准化设计指的是在一定时间内，面对不同或者通用产品，通过共性条件，设计一致的要求与模式，落实适用范围丰富的规划，满足设计上完善、经济上科学、市场容量充沛的产品规划。标准化电气系统设计的前提是电气系统的模块化规划。模块是构成标准环规划产品的基本组成，模块化规划是解决复杂系统难题的合理方式。模块化规划的特征不单单是面对单个产品，而是面对整个产品体系，具备构造经典化、组建通用化、参数系统化、配备组合化的特征，模块是组件级（总成）与子系统级的通用件，以模块能够直接组成掘进机电气系统，从而在更高层面上完成升级优化[1]。

3.标准化的电气系统

(1)总体思路

标准化的电气系统采用分布式控制系统的设计思路，主要将电气系统按照功能划分为各个标准的功能单元实现系统功能。电控箱及其内部的标准化主要包括电控箱的防爆外壳、主要元部件等硬件、控制及显示等软件，电控箱外部的标准功能单元主要包括外部操作、遥控系统等。文中主要从电控箱及其内部的软硬件进行标准化设计，主要包括标准化的电控箱防爆外壳设计、标准化的硬件设计、标准化的软件设计。

(2)系统设计

①标准化的电控箱防爆外壳。标准化电控箱防爆外壳在保证与现有左右结构电控箱外形尺寸基本不变的情况下，采用上下腔结构，外观更加美观、协调、科学。首先，外观及尺寸标准化，且从箱体结构、环境适应性和防护等级方面能适应煤矿、工程隧道等不同工况环境的现场使用；其次，箱体内部结构的标准化，从箱体内部电气功能单元排布、机械与电气功能配合、整机功能扩展性等方面能满足不同用户的不同需求；最后标准化电控箱外壳能适应不同工况下不同功率的掘进机的安装。

电控箱外壳为长方形上下腔结构，具有耐爆性和隔爆性。箱体为双腔结构，由主腔、接线腔2个独立的隔爆腔体组成，接线腔位于主腔上部；主腔门和接线腔门运用螺栓紧固的方法，主腔门上设计观察窗，能够以完整的图形化界面呈现掘进机的各类运转情况，同时主腔门上设有键盘，能够对显示内容进行翻页查询。电控箱外壳在设计时已符合相关标准的防护等级。同时电控箱设计考虑了不同电压等级AC660V、AC1140V、AC3300V下的接线腔接线端子的间距。有效解决了掘进机电控箱应用于不同工况不同电压等级下的电气系统标准化程度低、差异化、个性化的问题。

②标准化的硬件设计。电控箱内部硬件的标准化主要包括主回路主要元部件选型、电源单元、控制保护单元的标准化等。

A.主要元部件的选型。主回路根据AC660V～AC3300V电压等级的不同，应用工况的差异对电气系统的不同需求以及元部件的可靠性等方面对断路器、接触器及电流变送器进行了标准化选型。当电气系统应用于野外或工程隧道时，AC660V或AC1140V电源往往是通过民电升压或柴油发电机来提供，供电电源存在电源容量有限或供电质量较差的问题，大功率电机直接启动时势必会造成启动压降较大或不能启动，电控箱内部在硬件上集成了控制功率为340kW的电机软启动器，较低成本的实现了大功率电机的降压启动，使得电气系统能够适应AC660～AC3300V不同电压等级或变电站、民电升压和柴油发电机等不同方式的供配电系统。

B.电源单元。电源单元的外观根据选定的电气件、电气件的电气间隙和爬电距离及电气件对空间的散热要求，结合现场科学合理的可操作性，抗振动性而进行设计。电源单元无论是外观还是内部电气件的选型及布置等都充分考虑了掘进机电控箱在不同工况对电源及电源控制的需求。

C.控制保护单元。控制保护单元融合信号搜集、把控、保护、参数设计、通讯等功能于一体，通过采集外部信号、电机、本安信号、传感器等设备的信号实现掘进机电气系统的控制和保护等功能；通过预留的通讯接口与遥控系统、数据采集系统、远程显示系统等设备通讯，可满足用户添加远程操控、情况检测、信息上传等功能。把控保护单元规范化硬件系统如图1所示。

图1 控制保护单元系统图

控制保护单元内部采用嵌入式PC控制器作为主要控制器，通过单个硬件完成PLC、运动控制和可视化任务的嵌入式控制器。控制保护单元的外部线路连接器选用了国际通用的AMP连接器，提高了控制保护单元在外部线路上的抗振性能。外观是根据选定的电气件、电气件的电气间隙和爬电距离及电气件对空间的散热要求，结合现场装配工人科学合理的可操作性、售后服务人员的可维护性，抗振动性而进行设计的。无论是外观还是内部电气件的选型及布置等都充分考虑了掘进机电控箱在不同工况的需求。

(3)标准化的软件设计

电控箱内部的软件主要有控制保护和显示程序的标准化。

①控制保护程序的标准化。主控制程序的标准化设计，其核心是建立标准程序以及对应的代码库。在构建标准程序方面，代码库能够从代码命名的规范化，控制的标准化，保护的标准化。标准化的主控制器软件构架框图如图2所示。

图2 标准化的主控制器软件结构框图

代码命名的规范化。全部代码命名如变量、常量、函数及构造体等的定义通过通用的国际指标[2]。代码命名的标准化示例如图3所示。

图3 代码命名的标准化示例

控制程序的标准化。把软件控制的共性提取出来，标准化程序可以选择性调用。保护程序的标准化。把回路保护的共性提取出来，回路保护子程序通过功能块图库的形式，能够对其开展挑选性调用。

②呈现程序的规范化。呈现程序的规范化分为把控呈现程序的规范化和呈现画面的规范化。A.主控制呈现程序的规范化。囊括代码命名的规范化，控制的标准化。代码命名的标准化同控制保护程序的代码命名标准化，不再赘述。控制标准化，采用同样的配置方法和思路，加载所使用的硬件设备，系统自动生成Application，再进行任务配置加载Task configuration，加载Task，每个Task需要配置优先级，然后进行代码的实现。B.显示画面的标准化。图形显示界面的设计在PC机上设计好所需的图片，加载至程序中，同时写到显示器系统，编译下载将其显示出来。图形显示界面的优势在于大大缩减了软件代码，减轻CPU的负担，不同机型对应的显示界面进行了标准化设计，不需要重复设计。

4.结语

标准化的电气系统采用智能控制的设计思路，满足煤矿、工程隧道和无机盐矿山等不同工况环境和不同用户需求的现场应用，解决了电气系统设计标准化、主要部件选型标准化、电气产品装配、调试、技术资料和售后服务等电气系统全生命周期过程的个性化问题，为实现我国安全、高效、集约化矿业生产提供高效的技术支撑。基于标准化的掘进机电气系统已有效运用于多种不同工况的掘进机系统当中，应用顺利、有效，实现了掘进机电气系统的批量规模，具有较高的推广价值。