一种模块化掘锚一体设备电控系统研究

0引言

当今煤矿生产中综采环节和掘进环节是两个不可或缺的部分,在掘进工作面,掘锚一体化设备已经是发展所趋,发挥着不可替代的作用^[1]。

本文介绍一种纵轴掘锚机电控系统,该系统与机械、液压等部分配合,可自如地实现整机的各种生产作业,同时对截割电机、油泵电机、二运电机、水泵电机等的工况及回路的绝缘情况进行监控和保护。采用无线通信装置设计,可实现远控和遥控一键打钻、锚固等功能,达到各设备协调、连续、高效、安全运行的目的。

但是目前掘锚一体设备的电气系统存在一些问题,其中一个主要的问题是电气系统模块化程度不高,主要体现在掘进和支护模式下,掘锚机电机参数、传感器参数、钻机实时参数无法在显示屏上实时显示。当掘锚一体机出现故障时,查找问题困难、理线困难、器件更换困难^[2—3]。在日常矿方生产过程中,掘锚机电气系统容易出现故障导致频繁停机,影响生产效率并引发人员安全风险。鉴于此,设计了一种模块化的电控系统。

1 方案设计意义

本方案提供一种模块化的纵轴掘锚一体设备电控系统,可以有效解决现有方案中存在的模块化程度不高、故障查找困难等问题,避免纵轴掘锚机在掘进或者支护状态下,由于功能划分不清楚,设备频繁停机,增加故障率及人员安全风险等问题。

研发纵轴掘锚机电控系统,可以更好地满足掘锚机的使用需求,对提高矿用掘锚机的控制性能,提升企业经济效益具有重要意义。根据电控系统的实时监控,可以得出整机运行的实时状态,保证高效掘进和临时支护作业,使掘锚机更加稳定、可靠、高效^[4]。

2技术方案

2.1 方案综述

本方案设计结合电控箱与操作箱,将整体划分为10个模块:第一控制器1、第一电流变送器2、第二电流变送器3、操作箱4、第一传感器5、第二传感器6、漏电检测模块7、第二控制器8、第一输出模块9、第二输出模块10。下面通过电控系统信号示意图(图1)对全部方案功能和布局进行介绍。

2.2掘锚机电控系统信号部分

整套系统中涉及的信号处理有五个类别:模拟量输入、数字量输入、数字量输出、CAN总线通信、 MODBUS总线通信。

第一控制器1为掘锚机控制器,是整个控制系统的核心,本系统采用IC系列的控制器,控制器具有掘进与支护两种工作模式。

第一电流变送器2与第一控制器1电性连接,用于向第一控制器传输第一组电机的模拟量输入信号,第一组电机模拟量包括油泵电机的电流信号、截割电机截割高速电流、二运电机的电流信号;第二电流变送器3与第一控制器1通过CAN网桥电性连接,用于向第一控制器传输第二组电机的模拟量输入信号,第二组电机信号包括备用电机电流、截割电机截割低速电流。

操作箱4与第一控制器1电性连接(图1左下方),用于向第一控制器1传输第一类数字输入信号(例如各个电机的启停信号、操作箱急停闭锁信号、掘进/支护模式选择信号等);第一传感器5与第一控制器1通过阈值开关电性连接,用于向第一控制器1传输第二类数字输入信号(例如油温传感器、油位传感器、甲烷传感器);第二传感器6与第一控制器1电性连接,用于向第一控制器1传输第三类数字输入信号(例如各个电机过热保护信号);漏电检测模块7与第一控制器1直接连接,用于向第一控制器1传输截割电机、油泵电机或者二运电机漏电急停等信号。

第二控制器8将在下文单独章节进行说明。

第一输出模块9与第一控制器1通过MODBUS总 线通信连接,用于显示第一数字量输出信号,第一数字量输出信号包括各个电机过热输出信号、急停闭锁信号、支护阀选择信号、油温、油位、瓦斯浓度等数字量信号;第二输出模块10直接与第一控制器1连接,用于输出第二数字量输出信号,包括油泵电机开关量信号、截割电机低速运转开关量信号、截割电机高速运转开关量信号、二运电机开关量信号、警铃和照明灯的启动信号。

2.2.1特殊设计——钻锚控制器

图1中第二控制器8为钻锚控制器,钻锚控制器信号通过CAN网桥,将钻机实时状态传至第一控制器1。

如图2所示,钻机操作箱按钮信号可以通过此路径驱动电磁阀动作,同时可以在主机显示屏上看见实时信息。同样地,使用遥控器也可以控制或监控钻机状态,当遥控器动作信号经过SY1接收模块传至第二控制器,第二控制器输出动作信号,同时传感器监测实时信息,收到的信息通过CQ—CANBUS采集驱动板到达CAN网桥,之后一路信号经过第一控制器到达显示屏进行显示,另外一路信号经过SY1接收模块在遥控器上显示。

此系统完全独立,与掘锚机主机控制系统彼此互不干涉,但是其中运行参数又可以使用主机显示器或者通过主机MODBUS总线实现远程监测,巧妙地连接主机控制器和钻机控制器。

2.2.2掘锚机主程序设计

掘锚机电控系统具有掘进与支护两种工作模式。如图3所示,开机初始化后,进行系统状态监测和电机状态检测,然后选择“掘进”或“支护”模式,控制系统进入对应子程序和画面。

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总线通信,数据参数赋值子程序。系统状态管理子程序包括警铃响应、控制器IO初始化、站点通信监测、系统电压监测、低压漏电监测、瓦斯监测,通过这一步检测可以知道设备系统和环境参数是否有启动的条件。系统状态管理子程序包括电机电流测量、电机温度测量、各个电机故障判断、电机运行时间写入,这一步的目的是判断电机是否在允许启动的状态上。之后电气系统启动就可以按照工作计划进行生产作业。

2.3掘锚机电控系统硬件部分

本方案中电控箱硬件部分(图4)包括:第一控制器1、第一电流变送器2、第二电流变送器3、操作箱4、第一传感器5、第二传感器6、漏电检测模块7、第二控制器8、第一输出模块9、第二输出模块10。

主要工作逻辑如下:系统主要电流(例如截割高速电流、油泵电流和二运电流)通过第一电流变送器2转换为小电流,第二电流变送器3工作原理与第一电流变送器相同,其主要负责备用电机电流信号和截割低速电流信号。其中第一电流变送器直连控制器,第二电流变送器要经过CAN-Bridge将实时的电流模拟量信号传输到第一控制器。机身动作可以通过操作箱4上面所安装的按钮操作,按钮的数字量开关信号直接传输进第一控制器。当出现任意电机漏电的情况,电机漏电检测继电器吸合,再通过漏电检测模块7将信号传输至第一控制器。数字量传感器信号通过第一传感器5和第二传感器6传输至第一控制器。第一输出模块9和第二输出模块10可以借助显示屏来展示控制器输入的模拟量和数字量,正常工作情况下借助此系统可以直观地知道信号是否准确。

第一控制器收到各个电机启动信号后,会输出对应开关量信号,直接控制各个电机的启停;当漏电检测模块检测到存在漏电时,控制器将对每个电机进行单独检测,确定具体发生漏电的电机;警铃、照明灯和支护阀组选择由控制器输出开关量启动。

第二控制器8为钻臂的控制器,在信号部分已经介绍其工作原理。在硬件部分,第二控制器经过 CAN-Bridge与主机的第一控制器进行连接。钻机平台有五个传感器,信号统一传输至CQ-CANBUS采集驱动板,然后通过CAN总线传至控制器,可以得出钻机实时的位置角度等。另遥控器设有一键打钻、一键锚固功能,控制器收到信号后,运行程序设定的操作,输出相应的PWM信号,实现一键打钻、锚固功能。

操作箱4硬件部分包括:油泵电机、截割电机、二运电机、水泵电机和备用电机的启停按键,所有的急停闭锁按钮、掘锚一体机所有的功能按键、报警按键、掘进/支护切换按钮及支护阀各个功能按钮。

3 方案优点及总结

通过上述对于全套方案信号部分和硬件部分的说明,全面阐述了此方案的设计特点和优点。

整套电气系统采用高度模块化的思路设计,当生产过程中设备出现问题时,可通过电气硬件连接图和信号示意图,快速找到问题点,易于快速锁定问题部件,进行器件维修和更换。而且高度模块化设计有利于安装和维护时整理线路。

整套系统通信采用CAN加MODBUS现场总线,可以实时在显示屏上显示掘锚机运行状态,系统包含电机温度保护、漏电检测、电流检测等功能,丰富的传感器检测到异常时可以及时停机,独立的钻机控制系统不会影响到其他电控系统,多个闭锁加强了整机的安全性。

通过特殊的设计巧妙结合了钻机控制系统和主 机控制系统,在二者之间钻机信息可以实时畅通。通过主机或者远程显示器可以在任意时间获得钻臂实际工作情况,且此交互系统兼容钻机遥控器和钻机本地操作台。钻机系统和掘锚机主机系统之间不存在依赖关系,当任一系统出现问题时,不影响另一系统正常工作。

整套方案贴近智能化掘锚一体化设备当前的实际困难,如机械化程度不高、人员作业环境恶劣、围岩支护机械化程度低等^[5-6],提供了一种解决问题的思路,有效提高了煤矿生产效率,让掘锚一体化设备的智能化程度更上一个台阶。可靠的掘锚机电控系统能提高掘锚机的工作效率,使掘锚机更加稳定高效,达到增产提效、安全生产的目的,对煤矿实现采掘平衡和掘进工作面智能化具有现实意义。

[参考文献]

[1]王晓军,赵振宇,万江.智能掘进工作面的组成及发展方向[J].当代化工研究,2024(1):185-187.

[2]孔令琪.巷道掘进掘锚护一体机应用研究[J].矿业装备,2023(8):78-80.

[3]查太东.煤矿快速掘进系统现状及发展趋势[J].煤炭技术,2021,40(6):30-32.

[4]徐明辉.掘锚一体机快速掘进技术应用探析[J].内蒙古煤炭经济,2023(24):169-171.

[5] 宁继刚.掘锚一体机复杂地质条件巷道掘进中应用研究[J].内蒙古煤炭经济,2021(9):196-197.

[6]刘伟,王彦海.掘锚机分类选型研究[J].设备管理与维修,2017(7):35-36.

2024年第14期第18篇