煤礦掘進(jìn)機(jī)自動化截割煤巷控制技術(shù)探析

曲廣財(cái)，尤紅濤

（同煤集團(tuán)永煤公司，山西大同 037000）

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)截割巷道所進(jìn)行的生產(chǎn)工作已實(shí)現(xiàn)了自動化控制，掘進(jìn)作業(yè)面達(dá)到了無人值守的目標(biāo)，保證了巷道斷面的截割質(zhì)量，提升了截割臂擺動速度調(diào)整的精準(zhǔn)度。因此，本文以某礦井掘進(jìn)生產(chǎn)條件及掘進(jìn)機(jī)的各個參數(shù)為基礎(chǔ)，利用PLC自動控制器來進(jìn)行自動化控制技術(shù)的探析[1]。

圖1 礦用掘進(jìn)機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

1 掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，這種類型的掘進(jìn)機(jī)大多適用于半煤或全煤的巖層中，可以將單向抗力為95 MPa的巖石進(jìn)行截割，形成一種斷面巷道，該巷道的寬度及高度分別為2.5～6.0 m和2.0～5.0 m，在所有截割的巷道斷面中，其最大面積為3 024 m2，巷道的坡度為±20°。這種類型的掘進(jìn)機(jī)主要有3個結(jié)構(gòu)，分別為裝運(yùn)部、行走部及截割部，而構(gòu)成系統(tǒng)也有3種，分別為進(jìn)排水、液壓及供電，其中主要依靠液壓部件及機(jī)械設(shè)備來實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的功能。由于運(yùn)用了控制器、液壓等部件，該型號的掘進(jìn)機(jī)可以將柔性曲線與硬性截割相互結(jié)合，促使掘進(jìn)的效率及巷道的質(zhì)量得到極大提升[2]。該掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其關(guān)鍵技術(shù)的參數(shù)如表1所示。

表1 EBZ200型掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 截割自動化控制策略

掘進(jìn)機(jī)截割自動控制技術(shù)是基于人工控制掘進(jìn)機(jī)的數(shù)據(jù)信息，并通過實(shí)際調(diào)查研究，工作人員大多依靠激光指向儀來判斷掘進(jìn)的位置，通過控制操作臺的手柄來完成電流比閥的控制，從而實(shí)現(xiàn)擺角的調(diào)整與控制，此時液壓缸的流量處于合理的位置，推動活塞桿的運(yùn)行，從而對截割部分在水平及垂直方向的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，對截割的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。工作人員通過對截割部位進(jìn)行明確，借助自身累積的經(jīng)驗(yàn)來控制手柄[3]。但是因井下作業(yè)的環(huán)境及條件較為惡劣，工作人員視線極易受到雜物的影響，導(dǎo)致工作人員無法準(zhǔn)確地把握控制，截割斷面不具備平整性，與設(shè)計(jì)值存在較大的誤差，截割頭產(chǎn)生了嚴(yán)重的擺動問題，為了優(yōu)化截割作業(yè)的效果，可以運(yùn)用自動控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的控制。PLC具有較高的分析能力，通過對傳感器收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理來發(fā)送控制指令，與激光定位系統(tǒng)相結(jié)合來控制電氣體系、機(jī)械設(shè)備及液壓系統(tǒng)的動作[4]。圖2所示為自動化控制技術(shù)的工作原理。

圖2 自動化控制掘進(jìn)機(jī)截割示意圖流程

為了使截割巷道得到有效控制，自動控制系統(tǒng)可以采用分階段的方法來調(diào)整截割臂的擺動速度，如圖3所示。慢啟慢停的主要作用是促使巷道斷面可以很好地成形，延長電機(jī)的使用時間，避免截割頭因驟啟或驟停而出現(xiàn)振動損傷；對截割臂的運(yùn)行速度進(jìn)行分階段調(diào)整主要是保證液壓系統(tǒng)的供液、截割過程中完成無極調(diào)速、維持電機(jī)的恒定運(yùn)行[5]。

圖3 自動控制啟停以及調(diào)速

3 自動控制元器件選擇

掘進(jìn)機(jī)所采用的自動控制系統(tǒng)中主要包含了模塊、電源、轉(zhuǎn)換器等多個硬件元件。

3.1 傳感器

為了提升定位的精準(zhǔn)度，確保截割臂的運(yùn)行軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)值，因此選擇了一種磁敏電阻型的傳感器，即重力擺式傾角檢測傳感器，這種傳感器可以對傾角進(jìn)行無接觸地觸點(diǎn)檢測，對截割臂在垂直方向的擺角及自身所處的角度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。采用SMR磁敏感傳感器來檢測截割臂在水平方向的擺角，該傳感器具有與編碼器相一致的功能，可以與感應(yīng)齒相結(jié)合而發(fā)揮作用。采取行程傳感器來檢測截割頭存在的伸長量，對位置及精度進(jìn)行有效的考慮，并將其設(shè)置在油缸中。

在自動化控制的過程中，選擇恰當(dāng)?shù)碾娏鳈z查傳感器，即CHY-220AS/V，這種傳感器所具有的功能是將收集到的電機(jī)電流信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為PLC控制器的應(yīng)用需求。該傳感器所能檢測到的電流為0～220 A，供電電壓所處的范圍為10～20 V，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，輸出電流的信號值維持在0～25 mA。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換器

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換，可以在PLC控制的擴(kuò)展部位安裝FX2N-4AD型A/D轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器中共計(jì)有4個傳輸通道，在進(jìn)行接收的時候，模擬信號可以被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息。信號分辨率最高可達(dá)16位，電壓、電流的輸出及輸入信號的轉(zhuǎn)換都是在轉(zhuǎn)換器與接線端之間完成的，在轉(zhuǎn)換之后，其電壓值與電流值分別處于-10～10 V和-20～20 mA，PLC控制器也可以通過傳輸通道將其下發(fā)的指令傳輸?shù)綀?zhí)行部分[6]。

4 自動控制實(shí)現(xiàn)的功能

以人工進(jìn)行掘進(jìn)工作為基礎(chǔ)，再與試驗(yàn)等相關(guān)手段相結(jié)合，運(yùn)用PLC編程控制器來設(shè)計(jì)可編程序語音，其中主要包含了掘進(jìn)機(jī)截割的路徑、搖臂的擺動角度等，通過對開關(guān)及啟停按鈕進(jìn)行轉(zhuǎn)換來完成截割臂動作及其方向的調(diào)整。為了使巷道斷面具備較高的成形質(zhì)量、使煤壁巷幫具備較好的平整性，自動控制器應(yīng)當(dāng)有效的控制搖臂，以進(jìn)行掃底工作[7]。在掘進(jìn)機(jī)工作的時候，可以為搖臂設(shè)定高、中、低3種擺動速度，對于變送器收集到的信號，A/D轉(zhuǎn)換器可以對其進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，之后得到相應(yīng)的電壓信號范圍，并將該范圍之內(nèi)的電壓值分為3個層次，使其可以與速度的3個層次相吻合，即高、中、低3個速度所對應(yīng)的電壓范圍分別為0～2 V、2～4 V和4～5 V，同時在3個比例放大器的影響下分別輸出對應(yīng)的電流信號，其截割的詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 掘進(jìn)機(jī)自動控制截割搖臂擺速流程圖

5 工程實(shí)踐

在某礦井中，EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動化控制改造后在半煤巖中進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)踐。處于PLC自動化控制的背景下，與設(shè)計(jì)數(shù)值相比，該掘進(jìn)機(jī)的巷道兩幫偏差都是321.6 mm，單邊偏差的均值為152.5 mm，這些都要小于人工控制下的偏差值。機(jī)身的初始位置處于巷道的中心線上，不存在顯著的偏差，單邊及回轉(zhuǎn)的定位精度分別低于30 mm和15 mm，可以持續(xù)進(jìn)行截割及掃底工作，自動化截割工作具有高效性和穩(wěn)定性，其斷面與使用需求相吻合，在進(jìn)行掘進(jìn)的過程中，掘進(jìn)機(jī)始終保持穩(wěn)定的運(yùn)行。人工操作的人員數(shù)量至少要8人，處于自動化控制技術(shù)的背景下，只有5個人就可以進(jìn)行掘進(jìn)工作。在PLC自動化技術(shù)的控制下，掘進(jìn)速度得到較大的提升，工作人員的工作量不斷降低，巷道斷面的品質(zhì)及生產(chǎn)的效率得到提升[8]。

6 結(jié)束語

（1）該控制系統(tǒng)主要是基于以人工控制為基礎(chǔ)的掘進(jìn)機(jī)截割參數(shù)，PLC編程控制器則作為核心技術(shù)應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中，采用分階段控制的辦法來調(diào)整截割臂擺動的速度及采取慢啟慢停加速控制的方法。

（2）該控制系統(tǒng)所包含的硬件器件主要有電源、控制板、轉(zhuǎn)化器等，處于PLC控制技術(shù)的環(huán)境下，對于搖臂截割的速度，可以運(yùn)用三階段電壓來進(jìn)行調(diào)整，以完成截割的自動化控制。

（3）在自動化控制的背景下，EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)所截割的巷道具有較好的質(zhì)量，減少了工作人員的工作量，確保了巷道生產(chǎn)的安全性，提升了巷道的掘進(jìn)效率。