一種模塊化掘錨一體設(shè)備電控系統(tǒng)研究

0引言

當今煤礦生產(chǎn)中綜采環(huán)節(jié)和掘進環(huán)節(jié)是兩個不可或缺的部分,在掘進工作面,掘錨一體化設(shè)備已經(jīng)是發(fā)展所趨,發(fā)揮著不可替代的作用^[1]。

本文介紹一種縱軸掘錨機電控系統(tǒng),該系統(tǒng)與機械、液壓等部分配合,可自如地實現(xiàn)整機的各種生產(chǎn)作業(yè),同時對截割電機、油泵電機、二運電機、水泵電機等的工況及回路的絕緣情況進行監(jiān)控和保護。采用無線通信裝置設(shè)計,可實現(xiàn)遠控和遙控一鍵打鉆、錨固等功能,達到各設(shè)備協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效、安全運行的目的。

但是目前掘錨一體設(shè)備的電氣系統(tǒng)存在一些問題,其中一個主要的問題是電氣系統(tǒng)模塊化程度不高,主要體現(xiàn)在掘進和支護模式下,掘錨機電機參數(shù)、傳感器參數(shù)、鉆機實時參數(shù)無法在顯示屏上實時顯示。當掘錨一體機出現(xiàn)故障時,查找問題困難、理線困難、器件更換困難^[2—3]。在日常礦方生產(chǎn)過程中,掘錨機電氣系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障導(dǎo)致頻繁停機,影響生產(chǎn)效率并引發(fā)人員安全風險。鑒于此,設(shè)計了一種模塊化的電控系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計意義

本方案提供一種模塊化的縱軸掘錨一體設(shè)備電控系統(tǒng),可以有效解決現(xiàn)有方案中存在的模塊化程度不高、故障查找困難等問題,避免縱軸掘錨機在掘進或者支護狀態(tài)下,由于功能劃分不清楚,設(shè)備頻繁停機,增加故障率及人員安全風險等問題。

研發(fā)縱軸掘錨機電控系統(tǒng),可以更好地滿足掘錨機的使用需求,對提高礦用掘錨機的控制性能,提升企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。根據(jù)電控系統(tǒng)的實時監(jiān)控,可以得出整機運行的實時狀態(tài),保證高效掘進和臨時支護作業(yè),使掘錨機更加穩(wěn)定、可靠、高效^[4]。

2技術(shù)方案

2.1 方案綜述

本方案設(shè)計結(jié)合電控箱與操作箱,將整體劃分為10個模塊:第一控制器1、第一電流變送器2、第二電流變送器3、操作箱4、第一傳感器5、第二傳感器6、漏電檢測模塊7、第二控制器8、第一輸出模塊9、第二輸出模塊10。下面通過電控系統(tǒng)信號示意圖(圖1)對全部方案功能和布局進行介紹。

2.2掘錨機電控系統(tǒng)信號部分

整套系統(tǒng)中涉及的信號處理有五個類別:模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、CAN總線通信、 MODBUS總線通信。

第一控制器1為掘錨機控制器,是整個控制系統(tǒng)的核心,本系統(tǒng)采用IC系列的控制器,控制器具有掘進與支護兩種工作模式。

第一電流變送器2與第一控制器1電性連接,用于向第一控制器傳輸?shù)谝唤M電機的模擬量輸入信號,第一組電機模擬量包括油泵電機的電流信號、截割電機截割高速電流、二運電機的電流信號;第二電流變送器3與第一控制器1通過CAN網(wǎng)橋電性連接,用于向第一控制器傳輸?shù)诙M電機的模擬量輸入信號,第二組電機信號包括備用電機電流、截割電機截割低速電流。

操作箱4與第一控制器1電性連接(圖1左下方),用于向第一控制器1傳輸?shù)谝活悢?shù)字輸入信號(例如各個電機的啟停信號、操作箱急停閉鎖信號、掘進/支護模式選擇信號等);第一傳感器5與第一控制器1通過閾值開關(guān)電性連接,用于向第一控制器1傳輸?shù)诙悢?shù)字輸入信號(例如油溫傳感器、油位傳感器、甲烷傳感器);第二傳感器6與第一控制器1電性連接,用于向第一控制器1傳輸?shù)谌悢?shù)字輸入信號(例如各個電機過熱保護信號);漏電檢測模塊7與第一控制器1直接連接,用于向第一控制器1傳輸截割電機、油泵電機或者二運電機漏電急停等信號。

第二控制器8將在下文單獨章節(jié)進行說明。

第一輸出模塊9與第一控制器1通過MODBUS總 線通信連接,用于顯示第一數(shù)字量輸出信號,第一數(shù)字量輸出信號包括各個電機過熱輸出信號、急停閉鎖信號、支護閥選擇信號、油溫、油位、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)字量信號;第二輸出模塊10直接與第一控制器1連接,用于輸出第二數(shù)字量輸出信號,包括油泵電機開關(guān)量信號、截割電機低速運轉(zhuǎn)開關(guān)量信號、截割電機高速運轉(zhuǎn)開關(guān)量信號、二運電機開關(guān)量信號、警鈴和照明燈的啟動信號。

2.2.1特殊設(shè)計——鉆錨控制器

圖1中第二控制器8為鉆錨控制器,鉆錨控制器信號通過CAN網(wǎng)橋,將鉆機實時狀態(tài)傳至第一控制器1。

如圖2所示,鉆機操作箱按鈕信號可以通過此路徑驅(qū)動電磁閥動作,同時可以在主機顯示屏上看見實時信息。同樣地,使用遙控器也可以控制或監(jiān)控鉆機狀態(tài),當遙控器動作信號經(jīng)過SY1接收模塊傳至第二控制器,第二控制器輸出動作信號,同時傳感器監(jiān)測實時信息,收到的信息通過CQ—CANBUS采集驅(qū)動板到達CAN網(wǎng)橋,之后一路信號經(jīng)過第一控制器到達顯示屏進行顯示,另外一路信號經(jīng)過SY1接收模塊在遙控器上顯示。

此系統(tǒng)完全獨立,與掘錨機主機控制系統(tǒng)彼此互不干涉,但是其中運行參數(shù)又可以使用主機顯示器或者通過主機MODBUS總線實現(xiàn)遠程監(jiān)測,巧妙地連接主機控制器和鉆機控制器。

2.2.2掘錨機主程序設(shè)計

掘錨機電控系統(tǒng)具有掘進與支護兩種工作模式。如圖3所示,開機初始化后,進行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和電機狀態(tài)檢測,然后選擇“掘進”或“支護”模式,控制系統(tǒng)進入對應(yīng)子程序和畫面。

其中第一部分初始化子程序包括CAN通信管理子程序、PDO管理映射、MODBUS總線通信,數(shù)據(jù)參數(shù)賦值子程序。系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序包括警鈴響應(yīng)、控制器IO初始化、站點通信監(jiān)測、系統(tǒng)電壓監(jiān)測、低壓漏電監(jiān)測、瓦斯監(jiān)測,通過這一步檢測可以知道設(shè)備系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)是否有啟動的條件。系統(tǒng)狀態(tài)管理子程序包括電機電流測量、電機溫度測量、各個電機故障判斷、電機運行時間寫入,這一步的目的是判斷電機是否在允許啟動的狀態(tài)上。之后電氣系統(tǒng)啟動就可以按照工作計劃進行生產(chǎn)作業(yè)。

2.3掘錨機電控系統(tǒng)硬件部分

本方案中電控箱硬件部分(圖4)包括:第一控制器1、第一電流變送器2、第二電流變送器3、操作箱4、第一傳感器5、第二傳感器6、漏電檢測模塊7、第二控制器8、第一輸出模塊9、第二輸出模塊10。

主要工作邏輯如下:系統(tǒng)主要電流(例如截割高速電流、油泵電流和二運電流)通過第一電流變送器2轉(zhuǎn)換為小電流,第二電流變送器3工作原理與第一電流變送器相同,其主要負責備用電機電流信號和截割低速電流信號。其中第一電流變送器直連控制器,第二電流變送器要經(jīng)過CAN-Bridge將實時的電流模擬量信號傳輸?shù)降谝豢刂破鳌C身動作可以通過操作箱4上面所安裝的按鈕操作,按鈕的數(shù)字量開關(guān)信號直接傳輸進第一控制器。當出現(xiàn)任意電機漏電的情況,電機漏電檢測繼電器吸合,再通過漏電檢測模塊7將信號傳輸至第一控制器。數(shù)字量傳感器信號通過第一傳感器5和第二傳感器6傳輸至第一控制器。第一輸出模塊9和第二輸出模塊10可以借助顯示屏來展示控制器輸入的模擬量和數(shù)字量,正常工作情況下借助此系統(tǒng)可以直觀地知道信號是否準確。

第一控制器收到各個電機啟動信號后,會輸出對應(yīng)開關(guān)量信號,直接控制各個電機的啟停;當漏電檢測模塊檢測到存在漏電時,控制器將對每個電機進行單獨檢測,確定具體發(fā)生漏電的電機;警鈴、照明燈和支護閥組選擇由控制器輸出開關(guān)量啟動。

第二控制器8為鉆臂的控制器,在信號部分已經(jīng)介紹其工作原理。在硬件部分,第二控制器經(jīng)過 CAN-Bridge與主機的第一控制器進行連接。鉆機平臺有五個傳感器,信號統(tǒng)一傳輸至CQ-CANBUS采集驅(qū)動板,然后通過CAN總線傳至控制器,可以得出鉆機實時的位置角度等。另遙控器設(shè)有一鍵打鉆、一鍵錨固功能,控制器收到信號后,運行程序設(shè)定的操作,輸出相應(yīng)的PWM信號,實現(xiàn)一鍵打鉆、錨固功能。

操作箱4硬件部分包括:油泵電機、截割電機、二運電機、水泵電機和備用電機的啟停按鍵,所有的急停閉鎖按鈕、掘錨一體機所有的功能按鍵、報警按鍵、掘進/支護切換按鈕及支護閥各個功能按鈕。

3 方案優(yōu)點及總結(jié)

通過上述對于全套方案信號部分和硬件部分的說明,全面闡述了此方案的設(shè)計特點和優(yōu)點。

整套電氣系統(tǒng)采用高度模塊化的思路設(shè)計,當生產(chǎn)過程中設(shè)備出現(xiàn)問題時,可通過電氣硬件連接圖和信號示意圖,快速找到問題點,易于快速鎖定問題部件,進行器件維修和更換。而且高度模塊化設(shè)計有利于安裝和維護時整理線路。

整套系統(tǒng)通信采用CAN加MODBUS現(xiàn)場總線,可以實時在顯示屏上顯示掘錨機運行狀態(tài),系統(tǒng)包含電機溫度保護、漏電檢測、電流檢測等功能,豐富的傳感器檢測到異常時可以及時停機,獨立的鉆機控制系統(tǒng)不會影響到其他電控系統(tǒng),多個閉鎖加強了整機的安全性。

通過特殊的設(shè)計巧妙結(jié)合了鉆機控制系統(tǒng)和主 機控制系統(tǒng),在二者之間鉆機信息可以實時暢通。通過主機或者遠程顯示器可以在任意時間獲得鉆臂實際工作情況,且此交互系統(tǒng)兼容鉆機遙控器和鉆機本地操作臺。鉆機系統(tǒng)和掘錨機主機系統(tǒng)之間不存在依賴關(guān)系,當任一系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,不影響另一系統(tǒng)正常工作。

整套方案貼近智能化掘錨一體化設(shè)備當前的實際困難,如機械化程度不高、人員作業(yè)環(huán)境惡劣、圍巖支護機械化程度低等^[5-6],提供了一種解決問題的思路,有效提高了煤礦生產(chǎn)效率,讓掘錨一體化設(shè)備的智能化程度更上一個臺階?？煽康木蝈^機電控系統(tǒng)能提高掘錨機的工作效率,使掘錨機更加穩(wěn)定高效,達到增產(chǎn)提效、安全生產(chǎn)的目的,對煤礦實現(xiàn)采掘平衡和掘進工作面智能化具有現(xiàn)實意義。

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2024年第14期第18篇