EBZ230型矿用掘进机电气控系统的改进设计

赵岱昕

（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 030600）

0 引言

随着国家煤矿资源的大量开采，越来越多的煤矿设备被应用到煤矿开采中，而EBZ230型矿用掘进机则是其中重要的煤矿开采设备，保证其具有较好的作业效率及控制水平，是提高煤矿开采效率及作业安全的关键[1-3]。而由于井下环境的恶劣性，加上该设备的长期运行和技术水平的不断发展，导致掘进机电气控制系统综合性能已无法较好地满足掘进机的控制需求，加大对电气控制系统的性能提升研究，已成为当下研究的重要内容[4-6]。因此，以EBZ230型掘进机电气控制系统结构组成及存在故障问题为分析基础，开展了电气控制系统的总体方案设计及其系统中关键部分的设计分析研究，并对该系统进行了现场应用测试，结果表明，该系统具有更高的控制性能，能更好地满足掘进机的使用需求，这对提高矿用掘进机的控制性能和作业效率、增加企业经济效益具有重要意义。

1 电气控制系统

掘进机是煤矿领域的重要设备，根据其使用工况及作业条件的不同，掘进机的电机、截割部等部分的配置也不尽相同。现有的掘进机主要由掘进部分、行走部分、控制系统、支撑部分、液压部分、水路部分等组成，而掘进部分是该设备机械部分的关键系统，其结构主要由减速器、截割头、电机、截割臂、固定架等组成，通过各部件的相互配合，完成对煤层的掘进作业。而控制系统则主要由电控箱、操作箱、按钮控制箱、驱动电机、电铃、瓦斯浓度传感器、照明灯及若干电缆等组成，其中，电控箱则是整套系统的核心部分，是整个系统的控制大脑，控制着整套系统的正常运行，主要用于放置掘进机中的各类元器件及控制部件，采用了隔爆型设计，兼顾本安型电器设备，由钢结构通过焊接方式组成。另外，在控制系统的操作箱面板上配备了多个运行及故障指示灯、开关按钮等，当掘进机运行时，可将系统中的电压、电压等相关参数进行实时显示、信号提示及命令启动等。

2 系统故障问题分析

掘进机在使用过程中，由于井下环境相对恶劣，加上掘进机的超负荷作业，导致现有电气控制系统经常出现各类故障问题[7-8]，具体包括如下内容：

（1）电气控制系统中的接触器、继电器、保护电路等整体具有较低的可靠性，运行一段时间后经常出现设备无法正常运行、检测精度低、整体抗干扰性差等问题，致使无法较好地满足掘进机的控制需求；

（2）目前，该控制系统的接触器、控制器等部件均采用了普通非专业电气元件，当其在较大潮湿环境下长时间工作过程中，出现了反应不灵敏、失灵等问题，大大降低了部件的使用寿命，整体较容易出现故障；

（3）现有的电气控制系统虽配备了故障报警提示，并在液晶显示界面上进行实时显示，但基本未设置故障报警灯，无法对故障的具体类型及故障等级进行具体显示；

（4）由于电气控制系统内部设备相对独立，未进行统一，在检修各个电子元器件灵便性和线路虚接、脱线等情况时，都需要对照不同电气原理图来检修，操作较为麻烦；

（5）随着控制技术的不断提升，现有控制系统的控制水平较为落后，在系统更新方面无法正常升级，导致部分功能已无法满足掘进机的控制需求。

3 电气控制系统改进研究

3.1 新型系统总体设计

结合现有EBZ230型掘进机控制系统使用中存在的各类故障类型，在现有控制系统应用基础上，对该控制系统进行了改进研究。整体系统采用了隔爆型电控箱，电源采用交流转直流后的24 V电源，在检测集成器方面采用了BH9型的4AD模块，以此替代原有的保护器，可实现对系统的较好保护作用。同时，现有控制系统的电路相对复杂，故针对此情况，将电控改造为了信号转换模块、数据采集模块、数据处理模块、信号执行模块等4部分，大大提高了系统的模块化、集成化程度。另外，原有的显示屏为按键时操作，改进后的显示屏采用了触屏方式进行操作，并增加了对掘进机漏电情况、井下瓦斯浓度情况、设备振动情况等相关参数的实时显示。由于原有掘进机中接触器和继电器控制的电压存在24 V、36 V等多种电压平台，因此，将其统一改为了220 V电压，使系统更加简化，方便了后期的设备检查和维修。新型电气控制系统结构组成框架如图1所示。

3.2 关键部分改造分析

3.2.1 系统信号采集设计

掘进机在运行过程中，涉及到较多种类的运行信号，如电机转速、电机功率、设备振动情况、设备工作温度等，因此，针对此些参数的检测问题进行了信号采集设计。在掘进机工作温度采集方面，配备了AT-1A型热电阻温度传感器，可将设备工作过程中的温度进行及时检测，其检测精度可达0.1℃，并将其传输至BH9保护模块中；针对设备的工作电压问题，配备了CSP2-1 500 V型变压器，将外界电压转为设备运行所需的5 V、12 V等不同电压值，且其转换速度较快，方便了系统对电压平台的动态检测；而针对系统中的液压油位置检测问题，采用了电子浮漂式装置，当液压油出现油温过高、液位较低或较高等问题时，该设备可较快地完成对故障的检测及发出滴答的报警提示。由此完成了对掘进机控制系统中信号采集部分的设计。

3.2.2 CAN总线系统设计

矿用掘进机电控系统所设计的CANOpen通讯系统的硬件主要包括电控箱和操作箱两部分，中间有双绞屏蔽线，如图2所示。电控箱内包含有电源模块、分布式I/O、IC控制器、光耦隔离中继模块等，操作箱内包括远程DI、显示屏和光耦隔离中继模块等，其中光耦隔离中继模块的作用是保护所有设备的通讯口。

3.2.3 电气控制箱设计

图1 新型电气控制系统结构框架图

该电气控制箱安装在掘进机的机身后方左侧位置，主要用于安装掘进机中的各类动作元件、电路板、控制元件等部件。整个箱体按照隔爆型和安全型原则进行设计，在门板上增设机械联锁，可实现切换开关在非停止位置时禁止开门功能，并将箱内的上箱设置为接线腔，各种电线可通过该腔实现与其他元器件的连接通信，同时，将其下部设置为控制元件腔，可安装各类隔离开关、主回路板、控制元器件等。其中，主回路板采用了防脱螺栓固定式结构设计，并在门板上增加FX2N-64MR可编程控制器、开关电源、BH9综合信号转化装置等设备。通过此改进设计，电气控制箱的布局更加合理，元器件与接线头处实现了较好的分离，可有效提高箱内元器件使用过程中的稳定性和安全性。

图2 矿用掘进机CANOpen通讯架构图

4 实际使用效果分析

结合前文改进后的EBZ230掘进机电气控制系统，为进一步掌握其系统的运行效果，将其在实际煤矿中进行了应用测试，主要将该系统安装在该掘进机设备中，开展了将近3个月的现场应用测试。测试结果如下：

（1）该系统在整个运行过程中，各项功能均运行正常，系统整体可靠性较高，针对掘进机运行过程中的电机电压、振动程度、运行功率等各类参数进行实时检测，较好地满足了掘进机的使用需求；

（2）该系统针对掘进机运行过程中出现的温度过高、振动剧烈、线路短路等故障问题及时发出了不同类型的报警提示，并在显示屏上进行了故障的实时显示；

（3）该系统中显示界面对掘进机运行参数进行了数据的快速保存，同时，将所需的参数绘制成相应的曲线形式，并在显示屏上进行显示；

（4）该系统的应用，得到了现场人员的一致认可，建议将该系统在更多掘进机上进行实际应用。

5 结束语

随着现有控制技术的不断提升，掘进机控制系统的控制水平也无法满足当下设备的控制需求，加大对电气控制系统的性能提升研究，已成为当下研究的重要内容。由此，本文分析了EBZ230型掘进机电气控制系统的结构组成及存在的故障问题，开展了电气控制系统的总体方案设计，针对该系统中关键部分进行了设计分析，最终将该系统进行了现场应用测试，结果表明，该系统具有更高的控制性能，能更好地满足掘进机的使用需求，得到了人员的一致好评，这对提高矿用掘进机的控制性能及作业安全具有重要作用。