掘進機電控系統(tǒng)改進設(shè)計探討
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摘要:常規(guī)掘進機需要人工通過控制機械液壓手柄完成掘進工作，效率低，自動化程度低。因此，在現(xiàn)有掘進機電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對電控系統(tǒng)的總體框架以及軟硬件進行了升級改進設(shè)計。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)蜻M機進行人工遠程定位和自動化控制截割，并實現(xiàn)掘進機的遙控操作和截割電機恒功率控制等，對提高掘進效率具有重要意義。
關(guān)鍵詞:掘進機;電控系統(tǒng);改進
掘進機是煤礦井下進行掘進工作的重要設(shè)備，主要負責煤礦井下的破煤、裝載、行走等作業(yè)。掘進機根據(jù)其作業(yè)方式分為部分斷面和全斷面掘進機。其中，部分斷面掘進機在小型煤礦開采中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的掘進機在進行掘進工作時，需要人工通過控制機械液壓手柄，效率低，自動化程度低。為了提高掘進機的系統(tǒng)效率和自動化程度，本文對掘進機電控系統(tǒng)進行了改進升級設(shè)計，以實現(xiàn)掘進機的遙控操作以及自動截割功能。
1改進設(shè)計內(nèi)容和實現(xiàn)的功能
對常規(guī)掘進機主要進行了如下的改進設(shè)計:1)將液壓系統(tǒng)的比例閥更換為比例電磁閥;2)在升降和回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)部安裝位移傳感器;3)增加了一個擴展控制箱，采集傳感器信號、接收遙控信號、驅(qū)動比例電磁閥等;4)增加一個遙控接發(fā)器裝置。通過以上改進設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進機的遙控操作，對掘進機進行人工定位和自動截割，實現(xiàn)截割電機恒功率控制等。
2改進設(shè)計總體框架
改進設(shè)計是在原有的電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改造升級，因此改進設(shè)計的總體框架必須與原有基礎(chǔ)電控系統(tǒng)具有兼容性，盡量保持系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的完整性，通過增加一個擴展控制箱完成整個系統(tǒng)的改造升級，改造升級后的電控系統(tǒng)總體框架如圖1所示。從圖中可以看出，該電控系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)電控系統(tǒng)和擴展控制箱兩部分組成，其中基礎(chǔ)電控系統(tǒng)的安裝位置不變，仍然在原有的電控箱內(nèi)。擴展控制箱主要包括遙控接收器、雙軸傾角傳感器、信號采集與驅(qū)動輸出模塊、CAN總線隔離模塊、電源模塊等。雙軸傾角傳感器用來采集掘進機本身的機身狀態(tài)參數(shù);信號采集與驅(qū)動輸出模塊是控制器的擴展模塊，主要通過CAN總線與控制器進行通訊連接，信號采集來源主要包括比例電磁閥組和油缸位移傳感器兩方面。
3硬件系統(tǒng)設(shè)計
改造升級后的電控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由4大部分組成，包括控制信號接發(fā)裝置、數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動模塊、比例電磁閥組和油缸位移傳感器，如圖2所示。1)比例電磁閥組。比例電磁閥在工作過程中主要通過自身的電信號，對整個系統(tǒng)內(nèi)液壓油流動的方向和流量進行控制，由此實現(xiàn)對油缸機構(gòu)運動速度及運動量等參數(shù)的有效控制。本次設(shè)計比例電磁閥為2組，選用PSV型的比例電液換向閥，由德國HVWE公司研發(fā)制造，具有防爆的特點，IP67的防護等級，冷態(tài)電阻為26．6Ω額定電壓為24VDC。2)油缸和位移傳感器。油缸需要選擇截割升降和回轉(zhuǎn)時的兩種類型的液壓油缸，每種型號的數(shù)量都是2個，桿徑和缸徑都相同，分別為130mm和200mm，升降油缸的行程為682mm，回轉(zhuǎn)油缸的行程為1027mm。圖2改造升級電控系統(tǒng)硬件組成掘進機的工作環(huán)境惡劣，要求油缸位移傳感器具有耐塵、抗震動、防潮濕的性能，本設(shè)計選用GUC1000型號的位移傳感器，該傳感器由北京金泰星測技術(shù)有限公司生產(chǎn)，具有防爆的特點，通過磁脈沖技術(shù)測量液壓桿的行程位置，并且安裝在液壓缸體里面，占用空間小，不容易損壞。針對升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸選擇了兩種量程的傳感器，升降位移傳感器最大的測量量程為690mm，回轉(zhuǎn)位移傳感器最大的測量量程為1030mm。其他電氣參數(shù):電壓為24V，精度為0．05%，響應(yīng)頻率為0．2～5ms，輸出信號為4～20mA。3)控制信號接發(fā)裝置?？刂菩盘柦影l(fā)裝置包括無線遙控發(fā)送器和車載無線接收器，都選用德國海德公司GL系列的礦用本安型接發(fā)器，并且通過二次程序的開發(fā)對接發(fā)器的面板和輸入信號等功能進行了改造升級。車載無線接收器安裝在擴展控制箱的內(nèi)部。無線遙控發(fā)送器能夠?qū)崿F(xiàn)對手柄和開關(guān)的狀態(tài)進行實時采集，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸，車載無線接收器接收到信息后再通過CAN-Open總線傳輸給控制器?？刂菩盘柦影l(fā)裝置包含有指示燈，可以實時顯示發(fā)送器和接收器的信號強弱、工作狀態(tài)等信息。4)數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動模塊。數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動模塊安裝在控制箱的內(nèi)部，驅(qū)動模塊選用ICN－VV型號的產(chǎn)品，該產(chǎn)品為德國InterControl公司生產(chǎn)，通過總線通訊的方式與控制器進行通訊，可以認為是控制器的擴展I/O。ICN－VV模塊是整個擴展模塊的核心，通過該模塊可以采集升降和回轉(zhuǎn)油缸的位移傳感器信號，以及傾角傳感器信號和遙控發(fā)送器的操作信號，再通過CANOpen總線將這些信號傳輸給控制器，同時ICN－VV模塊接收來自控制器處理后的相應(yīng)輸出信號，再驅(qū)動相應(yīng)的比例電磁閥組，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和驅(qū)動的功能。
4軟件系統(tǒng)設(shè)計
4．1遙控軟件設(shè)計。遙控軟件需要進行設(shè)計，其目的是對接收到的遙控指令信號進行處理，遙控指令信號分為電氣操作信號和液壓操作信號。當接收到遙控操作信號，首先需要進行識別，然后根據(jù)信號類別進行相對應(yīng)的子程序流程，圖3為遙控軟件程序流程。1)電氣子程序。掘進機操作箱上的各個按鈕在遙控發(fā)送器上都有對應(yīng)的開關(guān)，因此，對遙控器上的開關(guān)進行操作就可以對各個電機進行啟停等相應(yīng)操作。遙控器操作模式和操作箱面板模式同時只能有一種模式起作用，當遙控器操作模式開啟時，操作箱面板模式關(guān)閉，當遙控器操作模式關(guān)閉時，操作箱面板模式功能恢復。另外，急停按鈕在兩種模式下都是有效的。2)液壓子程序。在油泵電機打開以后，遙控裝置能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)進行操作。4．2恒功率截割軟件設(shè)計。在遙控裝置操作掘進機的切割和自動截割兩種工作狀態(tài)下，當截割部位的電機產(chǎn)生的電流大于其額定工況下電流的90%時，電控系統(tǒng)開啟自動調(diào)節(jié)功能，通過降低截割部位的液壓閥流量，降低截割部位的電機負載，從而能夠?qū)崿F(xiàn)截割電機工作時保持恒功率運行。4．3定位自動截割軟件設(shè)計。掘進機位于巷道的中間，同時兩側(cè)的支撐油缸工作時，掘進機位置固定。當掘進機打開自動截割模式的時候，掘進機能夠根據(jù)預設(shè)值的斷面形狀進行自動工作，包括截割端面、掃底和刷幫等，自動截割端面時的截割路線為自下向上的S型曲線。定位自動截割程序流程如圖4所示。當操作按鈕符合條件時，進入自動截割模式，首先進行自動截割模式參數(shù)設(shè)置子程序，設(shè)置的參數(shù)包括截割半徑、截割步長、預設(shè)截割端面的橫向長度和縱向高度等。參數(shù)設(shè)置完成后，進入到自動截割模式運行子程序，掘進機自動截割，可以完成截割端面、掃底和刷幫等工作。當發(fā)生緊急情況時，無論是遙控模式還是自動截割模式，都可以操作急停按鈕，將所有電機停止工作。
5結(jié)語
在現(xiàn)有掘進機電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對升級改進設(shè)計的電控系統(tǒng)的總體框架以及軟硬件進行了詳細闡述。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)蜻M機進行人工遠程定位和自動化控制截割，并實現(xiàn)掘進機的遙控操作和截割電機恒功率控制等，對提高掘進機的綜合性能具有重要的現(xiàn)實意義。
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作者:趙勇偉 單位:霍州煤電集團三交河煤礦