摘 要：介紹了一種掘錨機電控系統(tǒng)方案，其在現(xiàn)有掘錨機電氣系統(tǒng)的基礎上，把每一個子部件按照信號類型、功能劃分成獨立模塊。高度模塊化的設計思路，可以解決掘錨一體化設備在掘進和支護模式下信號傳遞與顯示困難的問題，讓主機控制體系與鉆錨控制體系高度契合。模塊化設計還可以解決系統(tǒng)故障難以查找和更換等現(xiàn)場實際難題，更加高效地使用智能化掘錨一體設備，減少故障發(fā)生，避免人員危險。

關鍵詞：掘錨機電氣系統(tǒng)；鉆機控制；模塊化；智能化掘錨機

中圖分類號：TD421" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0077-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.018

0" " 引言

當今煤礦生產中綜采環(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，掘錨一體化設備已經是發(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計，可實現(xiàn)遠控和遙控一鍵打鉆、錨固等功能，達到各設備協(xié)調、連續(xù)、高效、安全運行的目的。

但是目前掘錨一體設備的電氣系統(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]。在日常礦方生產過程中，掘錨機電氣系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障導致頻繁停機，影響生產效率并引發(fā)人員安全風險。鑒于此，設計了一種模塊化的電控系統(tǒng)。

1" " 方案設計意義

本方案提供一種模塊化的縱軸掘錨一體設備電控系統(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" " 技術方案

2.1" " 方案綜述

本方案設計結合電控箱與操作箱，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，包括油泵電機開關量信號、截割電機低速運轉開關量信號、截割電機高速運轉開關量信號、二運電機開關量信號、警鈴和照明燈的啟動信號。

2.2.1" " 特殊設計——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采集驅動板到達CAN網橋，之后一路信號經過第一控制器到達顯示屏進行顯示，另外一路信號經過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、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過CAN-Bridge將實時的電流模擬量信號傳輸?shù)降谝豢刂破?。機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，會輸出對應開關量信號，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量啟動。

第二控制器8為鉆臂的控制器，在信號部分已經介紹其工作原理。在硬件部分，第二控制器經過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。另遙控器設有一鍵打鉆、一鍵錨固功能，控制器收到信號后，運行程序設定的操作，輸出相應的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

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計，當生產過程中設備出現(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。

通過特殊的設計巧妙結合了鉆機控制系統(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效率，讓掘錨一體化設備的智能化程度更上一個臺階。可靠的掘錨機電控系統(tǒng)能提高掘錨機的工作效率，使掘錨機更加穩(wěn)定高效，達到增產提效、安全生產的目的，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。

[參考文獻]

[1] 王曉軍，趙振宇，萬江.智能掘進工作面的組成及發(fā)展方向[J].當代化工研究，2024（1）：185-187.

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[6] 劉偉，王彥海.掘錨機分類選型研究[J].設備管理與維修，2017（7）：35-36.

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：李靜（1984—），男，河南洛陽人，工程師，主要從事采掘裝備電氣及智能化系統(tǒng)設計工作。