礦井掘進機自動化控制技術(shù)研究

摘要：為解決人工操作掘進機截割煤巷成形效果差、效率低、強度高等問題，借助較為成熟的PLC控制技術(shù)，截割自動化控制采用慢啟慢停加速控制以及對截割臂擺動速度分階段調(diào)節(jié)。通過工業(yè)性實踐表明，掘進機截割煤巷在自動化控制下，巷道平整，安全性高，成巷速度快，為礦井生產(chǎn)效益提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：自動化控制掘進機傳感器A/D轉(zhuǎn)換器

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，掘進機截割巷道的生產(chǎn)逐漸發(fā)展成為自動化控制，實現(xiàn)無人值守的掘進工作面，確保巷道斷面自動截割成形質(zhì)量以及精準(zhǔn)調(diào)控截割臂擺動速率[1-2]。因此，以某礦實際掘進巷道的生產(chǎn)條件和掘進機參數(shù)為基礎(chǔ)，利用當(dāng)前發(fā)展較為成熟的PLC自動控制器為中心，開展礦井掘進機截割煤巖自動化控制技術(shù)研究。

1掘進機結(jié)構(gòu)參數(shù)

以EBZ200型懸臂式掘進機[3]作為研究對象，該型號掘進機主要適應(yīng)全煤或者半煤半巖的巖石層，可截割單向抗壓為95MPa強度的巖石，可形成寬度為2.5~6.0m，高度為2.0~5.0m斷面巷道，截割出來的最大巷道斷面面積為3024m2，巷道坡度為±20°。該懸臂式掘進機主要有三大執(zhí)行結(jié)構(gòu)，分別為截割部、行走部、裝運部，組成系統(tǒng)分別是供電、液壓、進排水三個體系，實現(xiàn)掘進機功能的動作主要靠機械部件和液壓元件完成。EBZ200型掘進機因采用了液壓、控制器等，能夠做到硬性截割與柔性曲線運轉(zhuǎn)相結(jié)合，可顯著提高掘進效率和巷道質(zhì)量。EBZ200型懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

2截割自動化控制策略

掘進機截割自動控制技術(shù)[4]是以人工操作掘進機為數(shù)據(jù)參考基礎(chǔ)，經(jīng)過礦井現(xiàn)場掘進調(diào)研，操作司機是根據(jù)激光指向儀粗略估算掘進的定位，通過改變操作臺上手柄來控制電流比例閥開口度，進而調(diào)控擺角，此時液壓缸內(nèi)流量達到適當(dāng)位置，推動活塞桿運轉(zhuǎn)，就實現(xiàn)了截割部垂直方向和水平方向的調(diào)換以及截割速度調(diào)節(jié)。操作司機通過肉眼觀察截割部位，憑借經(jīng)驗對手柄控制操作。但由于井下工作環(huán)境惡劣，作業(yè)條件極差，視線受井下煤塵等雜物干擾，造成操作司機難以精準(zhǔn)把控，截割斷面坑坑洼洼，與設(shè)計值偏差較大，截割頭擺動嚴(yán)重，為提高掘進機截割效果，決定采用自動化控制技術(shù)來對掘進機進行控制�？删幊炭刂破鱌LC具有邏輯判斷分析能力，通過檢測傳感器收集到的信息數(shù)據(jù)，再經(jīng)過相應(yīng)處理后，發(fā)出控制指令，在激光定位系統(tǒng)配合下控制液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及機械結(jié)構(gòu)發(fā)生準(zhǔn)確的動作。自動化控制技術(shù)對掘進機截割實現(xiàn)控制原理見下頁圖2所示。為了精準(zhǔn)控制掘進機截割巷道，自動化控制采用慢啟慢停加速控制以及對截割臂擺動速度采用分階段控制調(diào)節(jié)策略，見下頁圖3所示。慢啟慢停主要是確保巷道斷面成形精度、保護電機使用壽命、防止截割頭因急停、急啟動造成劇烈振動而損傷；分階段調(diào)節(jié)截割臂運行速度主要是確保液壓系統(tǒng)能夠及時供液、截割中實現(xiàn)無極調(diào)速和保持電機恒定功率運行。

3自動控制元器件選擇

掘進機自動控制系統(tǒng)硬件主要包含PLC控制器、模塊、電源、控制板、線路、檢測傳感器、轉(zhuǎn)換器等，圖4為掘進機自動控制系統(tǒng)的部分硬件設(shè)施。3.1傳感器為了精準(zhǔn)定位，確保掘進機截割臂截割軌跡達到設(shè)計值，因此選用重力擺式傾角檢測傳感器，該傳感器是磁敏電阻型，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸觸點精密檢測傾角，可實時檢測掘進機掘進期間截割臂在垂直方向的擺動角以及掘進機機身處于的角度。為了檢測截割臂水平方向的擺動角，選用SMR磁敏感傳感器，該傳感器具有編碼器功能，在工作中與感應(yīng)齒配合使用。截割頭的伸長量檢測選擇行程傳感器，考慮精度和位置因素，行程傳感器安裝在油缸內(nèi)。在自動化控制當(dāng)中選用型號為CHY-220AS/V電流檢查傳感器，該傳感器具有將采集到的掘進機電機電流信息經(jīng)過變送器作用轉(zhuǎn)換成自動控制器PLC需要的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息。該電流傳感器能夠檢測到0~220A范圍內(nèi)的電流，輸送線性度為1.2%，供電電壓范圍在10~20V，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出的電流信號范圍為0~25mA。3.2A/D轉(zhuǎn)換器為了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信息，在PLC控制器擴展口上選用FX2N-4AD型A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器共計四個傳輸通道，在接收的過程中，能夠把模擬信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。信號分辨率的最大值高達16位，電壓和電流輸入/輸出信號均是在接線端與轉(zhuǎn)換器進行變換，轉(zhuǎn)換后的電壓范圍值在-10~10V，電流信號范圍為-20~20mA，PLC控制器發(fā)出FROM/TO指令通過傳輸通道達到執(zhí)行元件[5]。

4自動控制實現(xiàn)功能

在人工操作掘進基礎(chǔ)上，通過模擬仿真以及試驗等手段，在PLC控制器上開發(fā)可編程序語言，包含掘進機截割路徑、搖臂擺動角度、截割頭速度調(diào)節(jié)等內(nèi)容，在開關(guān)轉(zhuǎn)換以及啟停按鈕變換自動調(diào)節(jié)掘進機截割臂動作、方向、作用力等。為了確保巷道斷面成形質(zhì)量以及煤壁巷幫平整，自動控制器需要控制搖臂進行掃底工作。在掘進機工作期間，對搖臂擺動速度設(shè)定為高、中、低三種速度，A/D轉(zhuǎn)換器將變送器收集到的電流信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到掘進機截割電機電壓信號范圍為0~5V，并把該范圍的電壓值分為三個檔次與速度檔次相匹配，即截割臂高速擺動對應(yīng)的電壓為0~2V，截割臂中速擺動對應(yīng)的電壓為2~4V，截割臂低速擺動對應(yīng)的電壓為4~5V，分別在三個對應(yīng)的比例放大器作用下輸出三種不同的電流信息，自動控制掘進機截割流程如圖5所示。

5工程實踐

自動化控制EBZ200型懸臂式掘進機在某礦井下半煤巖巷進行了工業(yè)性實踐。掘進機在自動化PLC技術(shù)控制下，與設(shè)計值相比，巷道兩幫誤差均值為321.6mm，單邊誤差均值為152.5mm，均小于人工操作誤差均值。機身初始位置在巷道中心線上，無明顯偏差，單邊定位精度小于30mm，回轉(zhuǎn)定位精度小于15mm，連續(xù)完成斷面截割和掃底動作，自動截割運行效果良好，截割的斷面完全滿足使用要求，在掘進過程中，掘進機未出現(xiàn)機械故障。人工操作至少需要人數(shù)為8人，在自動化控制技術(shù)下，人員數(shù)量5人即可進行巷道掘進。在自動化PLC技術(shù)控制下，實現(xiàn)了快速掘進，降低了工人勞動強度，提高了巷道斷面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

[4]趙東升.懸臂掘進機工作機構(gòu)自動控制系統(tǒng)的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2005.

[5]劉桂蘭，祖國建.煤礦皮帶機的PLC改造[J].煤炭技術(shù)，2011，30（7）：7-9.

作者：李云 單位：山西煤炭運銷集團馬家?guī)r煤業(yè)有限公司