电牵引采煤机专用拖缆系统电气控制装置

技术领域

本发明涉及采煤机拖缆系统的电气控制装置。

背景技术

随着煤炭开采技术向着自动化、智能化方向发展，采煤作业对开采效率的要求越来越高。采煤机作为煤矿井下重要设备之一，其运行状态对煤炭开采效率具有显著影响。而采煤机电缆作为综采工作面极其重要的组成单元，它负责为采煤机的正常工作提供电能，如果电缆出现恶劣故障，将会对煤炭开采造成不可估计的损失，因此对采煤机电缆随采煤机运动中的拖动方式和保护措施提出了更高的要求。

特别是在目前越来越多的薄煤层投入开采的情况下，综采工作面逐渐向着少人化甚至无人化发展，采煤机电缆拖动及保护需要自动完成，这就要求采煤机拖缆系统拥有更高的可靠性，能够做到跟随采煤机自动化运行，并且可以做到较为完善的保护功能。但是目前的拖缆系统还存在一些问题和缺陷，无法实现完善的拖动及保护功能。

目前的拖缆系统的电气控制装置主要存在的问题有：

1、结构复杂：一般的拖缆系统包括电机、变频器、控制器、张紧油缸、电磁阀等，众多部件分布在不同位置，部件之间电气连接关系较复杂，使得系统中故障点增加，可靠性较低，同时也占用了较大的空间。

2.保护功能不够完善：现有的电气控制装置只在拖缆电机和采煤机的拖缆架两个位置设置拉力检测，无法对拖缆小车处的电缆受力及拖缆链的受力进行监测，不能做到全面的状态检测，无法对拖缆链卡住、电缆卡住等一些特殊情况作出判别，也就无法对各个部分进行完善的保护。

发明内容

本发明的目的是提供一种电牵引采煤机专用拖缆系统电气控制装置，空间结构紧凑，保护功能完善，可靠性高，控制灵活。

本发明的主要技术方案有：

一种电牵引采煤机专用拖缆系统电气控制装置，包括用于拖动采煤机电缆的变频一体机、用于检测采煤机处电缆拉力的第一拉力检测模块、用于检测拖缆小车处电缆拉力的第二拉力检测模块、用于传输拉力检测结果信号的无线信号传输模块和用于控制上述各组成部分相互间协调配合工作的中央控制系统，所述变频一体机包括隔爆型永磁电机、伺服驱动器以及检测永磁电机转速的编码器，所述无线信号传输模块的信号输出端以及所述编码器的信号输出端均接入所述中央控制系统的对应的检测信号输入端，所述中央控制系统的控制信号输出端连接所述变频一体机的控制输入端，所述伺服驱动器和所述中央控制系统设置于同一个隔爆控制箱体内。

所述无线信号传输模块有多个，分散安装在与采煤机配套的多个工作面支架的内部。

各个所述无线信号传输模块优选联合组成基于自组网的无线信号传输系统，所述无线信号传输系统采用竞争与预约相结合的方式与第一拉力检测模块、第二拉力检测模块间进行数据通讯。

所述隔爆控制箱体与隔爆型永磁电机两者固定在一起，并共用冷却装置。

所述中央控制系统可以采用PLC、工业计算机、嵌入式控制模块或逻辑控制电路实现。

所述第一拉力检测模块可以包括第一拉力传感器和信号转换单元，所述信号转换单元为有线到无线的信号转换单元，第一拉力传感器的信号输出端连接所述信号转换单元的信号输入端，所述信号转换单元与所述无线信号传输模块之间无线通信，所述信号转换单元支持的无线信号类型包括wifi、ZigBee、蓝牙、4G和5G中的一种或多种。

所述第二拉力检测模块可以包括依次连接的第二拉力传感器、信号采集电路和无线信号传输电路，所述无线信号传输电路与所述无线信号传输模块之间无线通信，所述无线信号传输电路支持的无线信号类型包括wifi、ZigBee、蓝牙、4G和5G中的一种或多种。

所述第二拉力检测模块还优选包括为所述第二拉力传感器、信号采集电路和无线信号传输电路供电的电池以及用于监测和管理所述电池的工作状态以及控制所述电池充电的电池管理单元，所述电池的充电方式为无线充电方式。

本发明的有益效果是：

由于采用变频一体机替代传统的电机、变频器和控制器组合结构，本发明占用空间更小，组成和结构更简单，故障点更少，可靠性增加，设置位置更为集中，也更方便维护。

所述伺服驱动器和中央控制系统设置于同一个隔爆控制箱体内，一方面节省安装空间，另一方面同为控制端设置在一处更方便集中管理和维护。

本发明将采煤机处的电缆拉力、拖缆小车处的电缆拉力以及拖缆链受到的拉力全部纳入状态监测范围，方便实现对采煤机专用拖缆系统的全面的监控和完善的保护。

由于拉力监测结果以无线方式传输，使整个电气控制装置的控制和通讯更加灵活，可靠性也更高，而且由于还避免了现有的有线传输方式下通讯电缆线需要跨越整个工作面长距离铺设并且需要来回翻折导致的通讯电缆线容易损坏、通讯可靠性低等问题。

由于拖缆小车处的第二拉力检测模块采用电池供电以及支持无线充电方式，取消了电缆供电，避免了电源线缆损坏造成的损失，提高了系统的可靠性，另一方面可以为第二拉力检测模块持续供电，还省掉了频繁更换电池甚至拉力检测模块的操作。

各个所述无线信号传输模块组成基于自组网的无线信号传输系统，增强无线网络的抗毁性，实现对网络拓扑结构动态反应；并且所述无线信号传输系统采用竞争与预约相结合的方式与第一拉力检测模块、第二拉力检测模块间进行数据通讯，实现两个拉力检测模块无冲突的数据传输及移动状态下的可靠的无线网络接入。

附图说明

图1是本发明的电气控制装置各部分位置分布示意图；

图2是本发明的电气控制装置的原理框图；

图3是所述变频一体机的原理框图；

图4是所述第一拉力检测模块的原理框图；

图5是所述第二拉力检测模块的原理框图；

图6是所述无线信号传输系统的组成框图。

附图标记：

1.变频一体机；11.永磁电机；12.伺服驱动器；13.编码器；2.第一拉力检测模块；21.第一拉力传感器；22.信号转换单元；3.第二拉力检测模块；31.第二拉力传感器；32.信号采集电路；33.无线信号传输电路；34.电池；35.电池管理单元；4.无线信号传输模块；5.中央控制系统；6.采煤机；7.电缆；8.拖缆链；9.拖缆小车。

具体实施方式

本发明公开了一种电牵引采煤机专用拖缆系统电气控制装置(可简称为拖缆系统电气控制装置，如图1-6所示，包括用于拖动采煤机电缆7的变频一体机1、用于检测采煤机6处电缆拉力的第一拉力检测模块2、用于检测拖缆小车9处电缆拉力的第二拉力检测模块3、用于传输拉力检测结果信号的无线信号传输模块4和用于控制上述各组成部分相互间协调配合工作的中央控制系统5。所述变频一体机包括隔爆型永磁电机11、伺服驱动器12以及检测永磁电机转速的编码器13。伺服驱动器用于对永磁电机进行直接的驱动和控制，同时还接收来自中央控制系统的控制指令，实现中央控制系统对永磁电机的间接控制。所述无线信号传输模块的信号输出端以及所述编码器的信号输出端均接入所述中央控制系统的对应的检测信号输入端，为中央控制系统反馈检测结果信息，用以实现闭环控制。所述中央控制系统的控制信号输出端连接所述变频一体机的控制输入端(即伺服驱动器的控制输入端)，所述中央控制系统根据多处拉力检测数据和电机的状态数据反馈对拖缆速度与拉力实现精确控制，同时对整个拖缆系统电气控制装置的工作状态进行监控，包括对拖缆过程中可能出现的各种不同情况作出合理判断及采取相应的应对控制措施。与传统采用的电机、变频器和控制器组合结构相比，本发明采用变频一体机，占用空间更小，组成和结构更简单，故障点更少，可靠性增加，设置位置更为集中，因此更方便维护。

所述伺服驱动器12和所述中央控制系统5优选设置于同一个隔爆控制箱体内，一方面节省安装空间，另一方面功能相近的组成部分放置在一处更方便集中管理和维护。

本发明不仅能通过第一拉力检测模块检测采煤机6处(通常是其上的拖缆架处)的电缆拉力，通过电流计算变频一体机1处的转矩并进一步换算出拖缆链8受到的拉力，还能通过第二拉力检测模块检测拖缆小车9处的电缆拉力，因此做到了更全面的状态检测，以便实现对采煤机专用拖缆系统的更完善的保护。

本发明的拖缆系统电气控制装置可以从以下一个或多个方面做进一步的优化：

1、所述无线信号传输模块用于整个拖缆系统电气控制装置的无线信号的接收与传输，通常设有多个，分散安装在与采煤机配套的多个工作面支架的内部。由于工作面支架是沿整个工作面间隔布置的，在采煤机以及拖缆小车沿工作面往复移动的过程中，所述拖缆系统电气控制装置总能保持对拉力检测结果信号的良好的接收和传输效果。

更优的是，各个所述无线信号传输模块联合组成基于自组网的无线信号传输系统，以增强无线网络的抗毁性，实现对网络拓扑结构动态反应；并且所述无线信号传输系统采用竞争与预约相结合的方式与第一拉力检测模块、第二拉力检测模块间进行数据通讯，实现两个拉力检测模块无冲突的数据传输及移动状态下的可靠的无线网络接入。

2、所述无线信号传输模块的信号输入端支持的无线信号类型可以包括wifi、ZigBee、蓝牙、4G和5G中的一种或多种，所述无线信号传输模块的信号输出端优选为有线信号输出端，所述无线信号传输模块将接收到的数据通过有线网络传输到中央控制系统中，由中央控制系统进行分析和处理。

3、所述隔爆控制箱体与隔爆型永磁电机两者优选固定在一起，并共用冷却装置，以便进一步减少空间占用。

4、所述中央控制系统可以采用PLC、工业计算机、嵌入式控制模块或逻辑控制电路实现。

5、所述第一拉力检测模块可以包括第一拉力传感器21和信号转换单元22，所述信号转换单元为有线到无线的信号转换单元，第一拉力传感器的信号输出端连接所述信号转换单元的信号输入端，所述信号转换单元与所述无线信号传输模块之间无线通信。所述信号转换单元将第一拉力传感器的检测结果信号实时转换成无线信号，并传递给无线信号传输模块，无线信号传输模块再将该无线信号反馈给中央控制系统。所述信号转换单元支持的无线信号类型可以相应包括wifi、ZigBee、蓝牙、4G和5G中的一种或多种。

6、所述第一拉力检测模块由采煤机内部引出的本安电源线路供电。

7、所述第二拉力检测模块可以包括依次连接的第二拉力传感器31、信号采集电路32和无线信号传输电路33，所述无线信号传输电路与所述无线信号传输模块之间无线通信，所述无线信号传输电路支持的无线信号类型包括wifi、ZigBee、蓝牙、4G和5G中的一种或多种。第二拉力传感器对拖缆小车处的电缆拉力进行检测，所述信号采集电路对第二拉力传感器信号进行采集处理，然后传输给无线信号传输电路，无线信号传输电路再将信号传递给无线信号传输模块。所述第二拉力检测模块可安装在拖缆小车上。

进一步地，所述第二拉力检测模块还可以包括为所述第二拉力传感器、信号采集电路和无线信号传输电路供电的电池34以及用于监测和管理所述电池的工作状态以及控制所述电池充电的电池管理单元35。所述电池的充电方式优选采用无线充电方式，所述电池管理单元可通过外部充电装置对所述电池进行无线充电。

8、第一拉力传感器和第二拉力传感器可以采用销轴式拉力传感器。

9、所述第二拉力检测模块的内部电路为本安电路，所述电池的供电能量应满足本质安全电路的需求。

本发明的拖缆系统电气控制装置按功能可划分为控制端、执行端、状态检测端和数据传输端几个部分。所述中央控制系统5为控制端，其根据各处拉力传感器检测的数据和电机的状态反馈，控制变频一体机的速度和转矩，进而实现对拖缆速度与拉力的精确控制，其内部控制逻辑应对拖缆过程中的不同情况作出合理的判断及采取相应的控制措施。所述变频一体机1是执行端、控制端和状态检测端的组合，其中主体是执行端，用于实现对电缆的拖动。第一拉力检测模块2和第二拉力检测模块3为状态检测端和数据传输端的组合，用于检测多处电缆所承受的拉力、对拉力数据做简单的处理(包括做好数据无线传输的准备)以及向外无线传输，其中主体部分是状态检测端。无线信号传输模块4为数据传输端，接收到来自状态检测端的无线信号后，再通过通信网络传递给所述中央控制系统。