礦井掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)研究

摘要：為解決人工操作掘進(jìn)機(jī)截割煤巷成形效果差、效率低、強(qiáng)度高等問(wèn)題，借助較為成熟的PLC控制技術(shù)，截割自動(dòng)化控制采用慢啟慢停加速控制以及對(duì)截割臂擺動(dòng)速度分階段調(diào)節(jié)。通過(guò)工業(yè)性實(shí)踐表明，掘進(jìn)機(jī)截割煤巷在自動(dòng)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(dòng)化控制掘進(jìn)機(jī)傳感器A/D轉(zhuǎn)換器

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，掘進(jìn)機(jī)截割巷道的生產(chǎn)逐漸發(fā)展成為自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的掘進(jìn)工作面，確保巷道斷面自動(dòng)截割成形質(zhì)量以及精準(zhǔn)調(diào)控截割臂擺動(dòng)速率[1-2]。因此，以某礦實(shí)際掘進(jìn)巷道的生產(chǎn)條件和掘進(jìn)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，利用當(dāng)前發(fā)展較為成熟的PLC自動(dòng)控制器為中心，開(kāi)展礦井掘進(jìn)機(jī)截割煤巖自動(dòng)化控制技術(shù)研究。

1掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

以EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)[3]作為研究對(duì)象，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)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(qiáng)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(lái)的最大巷道斷面面積為3024m2，巷道坡度為±20°。該懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要有三大執(zhí)行結(jié)構(gòu)，分別為截割部、行走部、裝運(yùn)部，組成系統(tǒng)分別是供電、液壓、進(jìn)排水三個(gè)體系，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)功能的動(dòng)作主要靠機(jī)械部件和液壓元件完成。EBZ200型掘進(jìn)機(jī)因采用了液壓、控制器等，能夠做到硬性截割與柔性曲線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)相結(jié)合，可顯著提高掘進(jìn)效率和巷道質(zhì)量。EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2截割自動(dòng)化控制策略

掘進(jìn)機(jī)截割自動(dòng)控制技術(shù)[4]是以人工操作掘進(jìn)機(jī)為數(shù)據(jù)參考基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)礦井現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)調(diào)研，操作司機(jī)是根據(jù)激光指向儀粗略估算掘進(jìn)的定位，通過(guò)改變操作臺(tái)上手柄來(lái)控制電流比例閥開(kāi)口度，進(jìn)而調(diào)控?cái)[角，此時(shí)液壓缸內(nèi)流量達(dá)到適當(dāng)位置，推動(dòng)活塞桿運(yùn)轉(zhuǎn)，就實(shí)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(jī)通過(guò)肉眼觀察截割部位，憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(xiàn)受井下煤塵等雜物干擾，造成操作司機(jī)難以精準(zhǔn)把控，截割斷面坑坑洼洼，與設(shè)計(jì)值偏差較大，截割頭擺動(dòng)嚴(yán)重，為提高掘進(jìn)機(jī)截割效果，決定采用自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制�？删幊炭刂破鱌LC具有邏輯判斷分析能力，通過(guò)檢測(cè)傳感器收集到的信息數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)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(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生準(zhǔn)確的動(dòng)作。自動(dòng)化控制技術(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割實(shí)現(xiàn)控制原理見(jiàn)下頁(yè)圖2所示。為了精準(zhǔn)控制掘進(jìn)機(jī)截割巷道，自動(dòng)化控制采用慢啟慢停加速控制以及對(duì)截割臂擺動(dòng)速度采用分階段控制調(diào)節(jié)策略，見(jiàn)下頁(yè)圖3所示。慢啟慢停主要是確保巷道斷面成形精度、保護(hù)電機(jī)使用壽命、防止截割頭因急停、急啟動(dòng)造成劇烈振動(dòng)而損傷；分階段調(diào)節(jié)截割臂運(yùn)行速度主要是確保液壓系統(tǒng)能夠及時(shí)供液、截割中實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速和保持電機(jī)恒定功率運(yùn)行。

3自動(dòng)控制元器件選擇

掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件主要包含PLC控制器、模塊、電源、控制板、線(xiàn)路、檢測(cè)傳感器、轉(zhuǎn)換器等，圖4為掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)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(jìn)機(jī)截割臂截割軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此選用重力擺式傾角檢測(cè)傳感器，該傳感器是磁敏電阻型，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)接觸觸點(diǎn)精密檢測(cè)傾角，可實(shí)時(shí)檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)期間截割臂在垂直方向的擺動(dòng)角以及掘進(jìn)機(jī)機(jī)身處于的角度。為了檢測(cè)截割臂水平方向的擺動(dòng)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(zhǎng)量檢測(cè)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(dòng)化控制當(dāng)中選用型號(hào)為CHY-220AS/V電流檢查傳感器，該傳感器具有將采集到的掘進(jìn)機(jī)電機(jī)電流信息經(jīng)過(guò)變送器作用轉(zhuǎn)換成自動(dòng)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(cè)到0~220A范圍內(nèi)的電流，輸送線(xiàn)性度為1.2%，供電電壓范圍在10~20V，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后輸出的電流信號(hào)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(kuò)展口上選用FX2N-4AD型A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器共計(jì)四個(gè)傳輸通道，在接收的過(guò)程中，能夠把模擬信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。信號(hào)分辨率的最大值高達(dá)16位，電壓和電流輸入/輸出信號(hào)均是在接線(xiàn)端與轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換后的電壓范圍值在-10~10V，電流信號(hào)范圍為-20~20mA，PLC控制器發(fā)出FROM/TO指令通過(guò)傳輸通道達(dá)到執(zhí)行元件[5]。

4自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)功能

在人工操作掘進(jìn)基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬仿真以及試驗(yàn)等手段，在PLC控制器上開(kāi)發(fā)可編程序語(yǔ)言，包含掘進(jìn)機(jī)截割路徑、搖臂擺動(dòng)角度、截割頭速度調(diào)節(jié)等內(nèi)容，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換以及啟停按鈕變換自動(dòng)調(diào)節(jié)掘進(jìn)機(jī)截割臂動(dòng)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(dòng)控制器需要控制搖臂進(jìn)行掃底工作。在掘進(jìn)機(jī)工作期間，對(duì)搖臂擺動(dòng)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(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)電壓信號(hào)范圍為0~5V，并把該范圍的電壓值分為三個(gè)檔次與速度檔次相匹配，即截割臂高速擺動(dòng)對(duì)應(yīng)的電壓為0~2V，截割臂中速擺動(dòng)對(duì)應(yīng)的電壓為2~4V，截割臂低速擺動(dòng)對(duì)應(yīng)的電壓為4~5V，分別在三個(gè)對(duì)應(yīng)的比例放大器作用下輸出三種不同的電流信息，自動(dòng)控制掘進(jìn)機(jī)截割流程如圖5所示。

5工程實(shí)踐

自動(dòng)化控制EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)在某礦井下半煤巖巷進(jìn)行了工業(yè)性實(shí)踐。掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)化PLC技術(shù)控制下，與設(shè)計(jì)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(jī)身初始位置在巷道中心線(xiàn)上，無(wú)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(dòng)作，自動(dòng)截割運(yùn)行效果良好，截割的斷面完全滿(mǎn)足使用要求，在掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)未出現(xiàn)機(jī)械故障。人工操作至少需要人數(shù)為8人，在自動(dòng)化控制技術(shù)下，人員數(shù)量5人即可進(jìn)行巷道掘進(jìn)。在自動(dòng)化PLC技術(shù)控制下，實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)自動(dòng)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(guó)建.煤礦皮帶機(jī)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(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)馬家?guī)r煤業(yè)有限公司