煤矿掘进机电控系统的可靠性设计分析

高晓勇

（山西灵石华苑煤业有限公司，山西 灵石 031300）

引言

在我国煤矿企业中悬臂式掘进机被广泛应用，它不仅兼有切割、运输和运输的功能，实现了矿井生产的高产高效，而且它与锚杆钻机搭配使用，开掘巷道与锚喷加固同时推进，又大大减小了巷道的用工消耗和建设周期。因此，本文主要选取掘进机作为研究对象，同时又对其电控系统的可靠性设计进行了着重分析。

1 掘进机电控系统结构

煤矿常用掘进机主要由主回路、控制电源、控制回路和保护电路四部分组成，具体如图1 所示。

主回路主要是由隔离开关、真空接触器、阻容吸收电路和电路互感器组成的。它主要是在通电后通过控制真空接触器来使油泵（KM1）、截割（KM2）、二运（KM3）和风机电机（KM4）来正常工作的。控制电源主要为电控系统提供匹配的工作电压，其组成部件主要包括电源组件、断路器及继电器等。控制回路的核心组件是可编程控制器（即PLC），它通过通信组件接收来自于操作端的信号输入，然后程序运行转换从继电器输出，实现对掘进机各电机的开启和终止。另外，PLC 组件还会接收来自矿井内各类传感器反馈的数据，如瓦斯传感器、电机温度传感器、漏电检测器等等，从而实现系统对数据的耦合处理，并做出最优选。保护回路的作用是当各类传感器反馈的信息超出系统设定的正常范围时所做出的保护性措施，它主要是由电流互感器（监测短路、断路等）、热敏电阻（监测电机温度）、漏电继电器和闭锁检测回路（监测漏电情况及漏电位置）[1]。

图1 煤矿掘进机电控系统的组件

2 掘进机电控系统可靠性的定量分析

定量分析主要是通过一些量化方法分析系统的可靠性参数和指标，如利用事故树方法，分析故障发生后各个影响因素的重要度，从而制定出相应的控制方法；再比如蒙特卡洛法等。

2.1 解析法

解析法主要是通过对系统的结构和功能、元件的功能等进行分析，研究两者在可靠性的逻辑关系，进而形成一套完备的可靠性概率模型。在这个模型基础上进行迭代和推导研究，进而精确求解该模型，得出系统的可靠性指标。其中颇具代表性的方法是故障模式及后果分析法（简称FMEA 法），该方法的主要思路是某列出某个元件可能发生的故障，然后对可能引发故障的结果进行推导，直至出现系统故障，归纳出因果关系，然后重复此步骤来分析其他元件。通过对罗列出的故障结果进行统计，得出可能出现的这些故障各自的故障率，再耦合故障修复时间、导致的损失等参数得出系统某部件的可靠性指标。以煤矿掘进机的电气系统为例，电气系统的部件主要包括PLC、各类电源、继电器、接触器和电机等，以这些元件为切入点，分析它们出现故障可能引起的运算错误、宕机、数据输入不不准确、传感器失灵等等，算出以上各类故障的失效概率和造成的后果，便可得出各元件的可靠性重要度，进而有所侧重的进行补强。

2.2 蒙特卡洛法

蒙特卡洛法可以分为序贯蒙特卡洛法和非序贯蒙特卡洛法，它主要是通过计算机架构出一个虚拟系统进行分析研究，当某一部件发生故障时，不需要溯回整个电气系统，而是对故障次数、故障时间和修复时间进行累加。序贯蒙特卡洛法的特点主要时对元件出现故障的时间和修复的时间进行抽样，也就是对元件运行的整个状态时间（即元件的使用寿命）进行分析，通过横向比较，确定各个元件故障出现的早晚，进而回溯出初始故障出现在哪里，而不必对整个系统进行检修。而非序贯蒙特卡洛法主要是对元件所处状态的概率进行抽样分析，而非对其使用寿命进行统计和分析，这里选用泊松分布对元件故障率进行分析[2]。

某元件发生m 次故障的概率P（m）符合泊松分布：

式中：λ 为故障率，当元件的寿命符合泊松分布时，则λ 为一个常数。这里抽取0～1 之间的某个均匀分布的随机数β，则判断元件年故障次数的公式如下：

3 掘进机电控系统可靠性的定性分析

定性分析主要是利用一些非量化的形式来分析、评价设备的可靠性等，如故障模式及影响分析方法。这里主要是对煤矿掘进机电控系统各个环节及组件的可靠性进行定性分析，进而提出合理的设计建议。系统的可靠性除了受设备本身的质量影响之外，还受到工作环境以及相关人员素质的影响。这里主要从系统安全性、PLC 可靠性、电磁抗干扰性和环境适应性四个方面进行分析，并提出设计建议。

3.1 系统安全性设计分析

电控系统是掘进机的重要组成系统，而操作箱又是掘进机运转的起点，考虑到煤矿环境中存在有瓦斯、煤尘和粉尘这些易爆物质，所以操作性的防爆措施至关重要，因此防爆处理便是系统安全可靠性设计的第一环；误操作的保护设计也至关重要，作为命令的发起者，牵一发而动全身，要保证操作命令输入的正确性，可以在软件上设计逻辑检查功能，或者操作的二次确认功能，确保无误操作，同时也应设计紧急停止功能，使误操作万一发生时可以立刻停止错误指令，减小损失，因此误操作设计及急停设计是系统安全可靠性设计的第二环；操作箱存在用电行为，就必须保证电气安全，在用电过程中，短路和断路现象都会引起极大的隐患，短路现象会引起局部电线或部件过热，从而引发电气火灾。断电现象则会引起某个部件停止工作，如热敏传感器或者瓦斯传感器因局部断电而失去功能，也将威胁到生产安全，因此过电保护功能的设计便属于第三环。

3.2 PLC 可靠性设计分析

PLC 作为掘进机电控系统的核心，主要负责对各类接触器、继电器和传感器信号的收集与处理，并同时向上做出反馈。对于PLC 可靠性的设计主要是确保其作为系统中枢可以正常运转及正确处理信息，一是其程序可靠性的设计，要结合科学技术的发展，对其制作工艺及软件性能进行同步升级，PLC 所选用的主控器为PLVC4，它主要运营STL 进行编程，因此要保证其程序设计符合矿井生产实际，保证其在数据获取、数据传输及数据处理这三个环节的准确性和时效性，从而更好地做出反馈；二是其故障应对可靠性设计，主要是在停电、电路异常和恢复供电重启等情况下的可靠性要求。在这些情况下，就要求PLC 可以及时记录故障情况、故障的诊断及设备的运行阶段等。

3.3 电磁抗干扰设计分析

电控箱把许多电子元件都集中在了一起，包括上面所述的系统中枢——PLC、各类传感器、接触器等等，这就会引发一个值得关注的问题——电磁场，众多电子元件开始工作后，必然会因此电磁场的混乱，不采取相应的可靠性设计，会影响到各个元件的信号接收能力及精度。这里所采取的措施主要是对PLC 进行单独分隔，并采用独立的输入端口（包括模拟量端口和数字量端口），从而使得PLC 的数据接收不受到感染；同时也要对各个元件进行抗干扰设计，比如对其使用传输线路采用屏蔽双绞电缆，即减少自身所受影响，也减少对PLC 的干扰[3]。

3.4 环境适应性设计分析

掘进机所处的工作环境十分恶劣，主要包括切割岩壁时的震动、破碎岩石产生的粉尘、除尘所喷洒的水雾以及空气流通不畅导致的机械发热等，这里主要根据这几点进行可靠性分析及设计。

1）震动，主要的措施是进行防震设计，加装防震装置，同时也可以在切割部位及电控部件之间增加隔震装置，减小震动的传导性；

2）粉尘，粉尘主要会对元器件的精度、灵活性及散热产生影响，相应的设计则是水雾降尘和重要元件的防尘处理相结合措施，从而保证元件的正常使用；

3）水雾，水雾对于电子元件的影响极大，首先是湿度增加会影响电子元件的灵敏度，使得所采集的数据有偏差；其次是水雾与粉尘的结合对于元件本身具有一定的腐蚀性，因此需要采取作业现场的除湿和电子元件隔水相结合的措施；

4）散热，掘进机工作环境处于地下，对于埋深较深以及温度较高的工作面，使得掘进机在工作时产生的热量不易散出，进而会影响到线路的安全及元件的精度，因此要对掘进机电控箱内进行散热和降温设计[4]。

4 结论

通过定量和定性分析，提出在系统安全性、PLC可靠性、电磁抗干扰性和环境适应性四个方面的具体建议，对于进一步增强掘进机电控系统的安全性和可靠性具有重要意义。