掘进机电控系统改进设计探讨

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摘要:常规掘进机需要人工通过控制机械液压手柄完成掘进工作，效率低，自动化程度低。因此，在现有掘进机电控系统基础上，对电控系统的总体框架以及软硬件进行了升级改进设计。所设计的系统能够对掘进机进行人工远程定位和自动化控制截割，并实现掘进机的遥控操作和截割电机恒功率控制等，对提高掘进效率具有重要意义。

关键词:掘进机;电控系统;改进

掘进机是煤矿井下进行掘进工作的重要设备，主要负责煤矿井下的破煤、装载、行走等作业。掘进机根据其作业方式分为部分断面和全断面掘进机。其中，部分断面掘进机在小型煤矿开采中得到了广泛应用。常规的掘进机在进行掘进工作时，需要人工通过控制机械液压手柄，效率低，自动化程度低。为了提高掘进机的系统效率和自动化程度，本文对掘进机电控系统进行了改进升级设计，以实现掘进机的遥控操作以及自动截割功能。

1改进设计内容和实现的功能

对常规掘进机主要进行了如下的改进设计:1)将液压系统的比例阀更换为比例电磁阀;2)在升降和回转油缸的内部安装位移传感器;3)增加了一个扩展控制箱，采集传感器信号、接收遥控信号、驱动比例电磁阀等;4)增加一个遥控接发器装置。通过以上改进设计，能够实现掘进机的遥控操作，对掘进机进行人工定位和自动截割，实现截割电机恒功率控制等。

2改进设计总体框架

改进设计是在原有的电控系统的基础上进行改造升级，因此改进设计的总体框架必须与原有基础电控系统具有兼容性，尽量保持系统整体结构的完整性，通过增加一个扩展控制箱完成整个系统的改造升级，改造升级后的电控系统总体框架如图1所示。从图中可以看出，该电控系统主要由基础电控系统和扩展控制箱两部分组成，其中基础电控系统的安装位置不变，仍然在原有的电控箱内。扩展控制箱主要包括遥控接收器、双轴倾角传感器、信号采集与驱动输出模块、CAN总线隔离模块、电源模块等。双轴倾角传感器用来采集掘进机本身的机身状态参数;信号采集与驱动输出模块是控制器的扩展模块，主要通过CAN总线与控制器进行通讯连接，信号采集来源主要包括比例电磁阀组和油缸位移传感器两方面。

3硬件系统设计

改造升级后的电控系统的硬件系统主要由4大部分组成，包括控制信号接发装置、数据采集和驱动模块、比例电磁阀组和油缸位移传感器，如图2所示。1)比例电磁阀组。比例电磁阀在工作过程中主要通过自身的电信号，对整个系统内液压油流动的方向和流量进行控制，由此实现对油缸机构运动速度及运动量等参数的有效控制。本次设计比例电磁阀为2组，选用PSV型的比例电液换向阀，由德国HVWE公司研发制造，具有防爆的特点，IP67的防护等级，冷态电阻为26．6Ω额定电压为24VDC。2)油缸和位移传感器。油缸需要选择截割升降和回转时的两种类型的液压油缸，每种型号的数量都是2个，杆径和缸径都相同，分别为130mm和200mm，升降油缸的行程为682mm，回转油缸的行程为1027mm。图2改造升级电控系统硬件组成掘进机的工作环境恶劣，要求油缸位移传感器具有耐尘、抗震动、防潮湿的性能，本设计选用GUC1000型号的位移传感器，该传感器由北京金泰星测技术有限公司生产，具有防爆的特点，通过磁脉冲技术测量液压杆的行程位置，并且安装在液压缸体里面，占用空间小，不容易损坏。针对升降油缸和回转油缸选择了两种量程的传感器，升降位移传感器最大的测量量程为690mm，回转位移传感器最大的测量量程为1030mm。其他电气参数:电压为24V，精度为0．05%，响应频率为0．2～5ms，输出信号为4～20mA。3)控制信号接发装置。控制信号接发装置包括无线遥控发送器和车载无线接收器，都选用德国海德公司GL系列的矿用本安型接发器，并且通过二次程序的开发对接发器的面板和输入信号等功能进行了改造升级。车载无线接收器安装在扩展控制箱的内部。无线遥控发送器能够实现对手柄和开关的状态进行实时采集，然后通过无线网络进行信息传输，车载无线接收器接收到信息后再通过CAN-Open总线传输给控制器。控制信号接发装置包含有指示灯，可以实时显示发送器和接收器的信号强弱、工作状态等信息。4)数据采集和驱动模块。数据采集和驱动模块安装在控制箱的内部，驱动模块选用ICN－VV型号的产品，该产品为德国InterControl公司生产，通过总线通讯的方式与控制器进行通讯，可以认为是控制器的扩展I/O。ICN－VV模块是整个扩展模块的核心，通过该模块可以采集升降和回转油缸的位移传感器信号，以及倾角传感器信号和遥控发送器的操作信号，再通过CANOpen总线将这些信号传输给控制器，同时ICN－VV模块接收来自控制器处理后的相应输出信号，再驱动相应的比例电磁阀组，从而实现数据的采集和驱动的功能。

4软件系统设计

4．1遥控软件设计。遥控软件需要进行设计，其目的是对接收到的遥控指令信号进行处理，遥控指令信号分为电气操作信号和液压操作信号。当接收到遥控操作信号，首先需要进行识别，然后根据信号类别进行相对应的子程序流程，图3为遥控软件程序流程。1)电气子程序。掘进机操作箱上的各个按钮在遥控发送器上都有对应的开关，因此，对遥控器上的开关进行操作就可以对各个电机进行启停等相应操作。遥控器操作模式和操作箱面板模式同时只能有一种模式起作用，当遥控器操作模式开启时，操作箱面板模式关闭，当遥控器操作模式关闭时，操作箱面板模式功能恢复。另外，急停按钮在两种模式下都是有效的。2)液压子程序。在油泵电机打开以后，遥控装置能够对液压系统进行操作。4．2恒功率截割软件设计。在遥控装置操作掘进机的切割和自动截割两种工作状态下，当截割部位的电机产生的电流大于其额定工况下电流的90%时，电控系统开启自动调节功能，通过降低截割部位的液压阀流量，降低截割部位的电机负载，从而能够实现截割电机工作时保持恒功率运行。4．3定位自动截割软件设计。掘进机位于巷道的中间，同时两侧的支撑油缸工作时，掘进机位置固定。当掘进机打开自动截割模式的时候，掘进机能够根据预设值的断面形状进行自动工作，包括截割端面、扫底和刷帮等，自动截割端面时的截割路线为自下向上的S型曲线。定位自动截割程序流程如图4所示。当操作按钮符合条件时，进入自动截割模式，首先进行自动截割模式参数设置子程序，设置的参数包括截割半径、截割步长、预设截割端面的横向长度和纵向高度等。参数设置完成后，进入到自动截割模式运行子程序，掘进机自动截割，可以完成截割端面、扫底和刷帮等工作。当发生紧急情况时，无论是遥控模式还是自动截割模式，都可以操作急停按钮，将所有电机停止工作。

5结语

在现有掘进机电控系统基础上，对升级改进设计的电控系统的总体框架以及软硬件进行了详细阐述。所设计的系统能够对掘进机进行人工远程定位和自动化控制截割，并实现掘进机的遥控操作和截割电机恒功率控制等，对提高掘进机的综合性能具有重要的现实意义。

参考文献:

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作者:赵勇伟 单位:霍州煤电集团三交河煤矿