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    煤礦井下坑道鉆機電控自動化技術(shù)研究

    2020-07-13 15:01:14董洪波姚寧平廖姜男
    煤田地質(zhì)與勘探 2020年3期
    關(guān)鍵詞:坑道電液電控

    董洪波,姚寧平,馬 斌,廖姜男

    煤礦井下坑道鉆機電控自動化技術(shù)研究

    董洪波,姚寧平,馬 斌,廖姜男

    (中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

    為順應(yīng)煤礦井下鉆探裝備自動化、智能化發(fā)展方向,根據(jù)煤礦井下坑道鉆機特點,研制了一套鉆機電控系統(tǒng),實現(xiàn)了鉆機遠程控制、參數(shù)監(jiān)測、工況判斷和安全互鎖等功能,并在鉆機單動控制基礎(chǔ)上進行了鉆機自動鉆進和自動起鉆技術(shù)研究,大大提高了煤礦井下鉆機自動化程度。地面功能性試驗與現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明:設(shè)計的電控系統(tǒng)功能性、實時性和可靠性滿足使用要求。研制的鉆機電控系統(tǒng)配套在鉆機上,可提高鉆機自動化水平,更好地保障了施工人員和設(shè)備的安全,對推動煤礦井下鉆機智能化發(fā)展有積極作用。

    全液壓坑道鉆機;電液控制技術(shù);自動化技術(shù)

    2019年,國家煤礦安監(jiān)總局發(fā)布《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》,鼓勵支持煤礦相關(guān)企業(yè)大力研發(fā)應(yīng)用煤礦自動化裝備,推進煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展??拥楞@機作為煤礦安全領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備,其自動化程度的提升,可減少人工操作,從本質(zhì)上防范和遏制重特大事故,對于煤礦安全發(fā)展起積極推動作用[1-6]。

    國內(nèi)煤礦井下坑道鉆機經(jīng)過多年的發(fā)展,形成了以ZDY系列為代表的分體式、履帶式全液壓坑道鉆機,在煤礦井下瓦斯防治、探放水、防突卸壓等煤礦安全保障領(lǐng)域起著舉足輕重的作用[7-11]。目前,煤礦井下坑道鉆機以全液壓傳動為主,司鉆人員通過固定在鉆機車體的操縱臺對其動作進行控制,鉆機操作比較復(fù)雜,工人勞動強度較大;鉆機行走時司鉆人員不能遠離履帶車體,施工時不能遠離孔口等危險位置,存在一定的安全隱患;另外,非電控鉆機自動化程度低,不具備一鍵聯(lián)動、自動裝卸鉆桿、鉆進參數(shù)監(jiān)測診斷、自適應(yīng)鉆進,孔內(nèi)事故預(yù)警與處理等自動化功能[12-15]。

    因此,隨著國內(nèi)裝備制造業(yè)競爭的加劇和市場對工業(yè)產(chǎn)品要求的不斷提升,為順應(yīng)井下鉆探裝備自動化、智能化發(fā)展方向,針對煤礦井下坑道鉆機的特點,研制煤礦井下鉆機電液控制系統(tǒng),實現(xiàn)了煤礦井下坑道鉆機可視距離遙控操作、參數(shù)監(jiān)測、工況邏輯判斷和安全互鎖等功能。同時在電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,研究自動化施工技術(shù),實現(xiàn)鉆機自動調(diào)平,自動化鉆進、起鉆等功能。

    1 電液控制系統(tǒng)硬件開發(fā)

    煤礦井下坑道鉆機電液控制系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩部分組成。系統(tǒng)硬件主要實現(xiàn)信號的采集、處理,控制指令的輸入/輸出,控制動作的執(zhí)行。系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、解析,控制邏輯的運算,各種自動化、智能化控制算法的集成。

    1.1 系統(tǒng)硬件組成

    針對煤礦井下全液壓坑道鉆機的功能特點及鉆孔工藝施工要求,結(jié)合液壓系統(tǒng)的控制特點,設(shè)計了煤礦井下坑道鉆機電液控制系統(tǒng),如圖1所示,系統(tǒng)從設(shè)備布局上分為車載端和移動端兩部分。

    圖1 電液控制系統(tǒng)硬件

    車載端主要由鉆機控制器、電磁閥組、傳感器組、供電模塊、收發(fā)器、聲光報警設(shè)備組成,其中,鉆機控制器通過I/O接口連接以上設(shè)備,是整個電控系統(tǒng)的運算和控制核心,起到數(shù)據(jù)流指令流計算交互的作用。

    鉆機控制器由供電模塊供電,通過讀取收發(fā)器收到的無線遙控指令,經(jīng)控制程序計算后,控制電磁比例閥開度以及電磁開關(guān)閥的開關(guān)狀態(tài),實現(xiàn)若干電磁閥的組合邏輯以及時序邏輯動作,從而控制鉆機實現(xiàn)自動鉆進、自動起鉆等鉆孔施工動作。同時傳感器組中的各類傳感器實時監(jiān)測鉆機油路壓力、油路流量、油箱液位及溫度、動力頭轉(zhuǎn)速及位移等物理量,完成鉆機動作的閉環(huán)控制以及鉆機狀態(tài)量的采集。

    移動端即遙控器,主要功能是以100 ms為定時周期,循環(huán)執(zhí)行按鍵采集、邏輯判斷、無線收發(fā)以及顯示存儲任務(wù)。通過按鍵采集任務(wù)采集遙控器面板上的手柄以及撥鈕開關(guān)狀態(tài),邏輯判斷任務(wù)進行操作邏輯的判斷與安全互鎖,在操作邏輯正確的前提下,由無線收發(fā)任務(wù)在可視距離內(nèi)遙控操作鉆機,并通過顯示存儲任務(wù)觀察鉆機的狀態(tài)信息。

    1.2 鉆機控制器設(shè)計

    鉆機控制器為坑道鉆機電控系統(tǒng)的核心部件,其功能多樣性、可靠性及穩(wěn)定性的優(yōu)劣直接影響鉆機電控系統(tǒng)整體性能[16],鉆機控制器如圖2所示。

    鉆機控制器主要作用是完成對各類傳感器信息的采集、解碼、計算;輸出控制信號完成對執(zhí)行機構(gòu)的控制;同時為其他加掛在控制器的本安設(shè)備供電。按組成結(jié)構(gòu)劃分,鉆機控制器主要由本安電源板、隔離采集板以及PLC控制器組成。其中,本安電源板用于實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換,將輸入端DC24 V非安電源轉(zhuǎn)換為DC12 V本質(zhì)安全電源輸出,為隔離采集板和其他本安設(shè)備供電;隔離采集板用于實現(xiàn)本安、非安電路隔離,可承受AC2 500 V的工頻耐壓,具備1.3 A過流保護、過壓保護、過熱保護功能;PLC控制器內(nèi)嵌鉆機控制程序,用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)包解碼計算、鉆機控制邏輯判斷、執(zhí)行機構(gòu)控制信號的輸出。

    按功能劃分,鉆機控制器可分為輸入端和輸出端兩大模塊。其中,輸入端包括1路DC24 V非安電源;2路本安CAN總線通訊電路,其中CAN1用來連接收發(fā)器,CAN2用來連接壓力傳感器;8路0~5 V本安電壓量輸入電路,用來連接位移傳感器;8路4~20 mA本安電流量輸入電路,用來連接流量、溫度傳感器;8路本安開關(guān)量輸入(DI),用來連接位置傳感器以及轉(zhuǎn)速傳感器。輸出端包括12路非安PWM輸出接口,可輸出24 V,0~2 A可調(diào)電流,可驅(qū)動電磁比例閥;16路非安開關(guān)量輸出接口,可驅(qū)動電磁開關(guān)閥;1路DC12 V本安電源輸出,為系統(tǒng)中的本安設(shè)備供電。

    圖2 鉆機控制器原理

    2 電液控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

    2.1 控制器主程序設(shè)計

    系統(tǒng)控制器主程序是在CODESYS V3.5開發(fā)環(huán)境下使用ST語言編寫的,控制器主程序流程如圖3所示。

    主程序主要包括邏輯主程序和通信主程序兩大程序模塊。邏輯主程序主要實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)讀取解包、鉆機工況判斷、輸出控制信號功能。①首先,外部數(shù)據(jù)解包,讀取的數(shù)據(jù)除了CAN總線接收到的遙控器數(shù)據(jù)、CAN總線傳感器數(shù)據(jù),還包括其他非CAN信號傳感器數(shù)據(jù);②接著進行鉆機工況判斷,根據(jù)按鍵組合完成工況邏輯判斷后,調(diào)用該工況對應(yīng)的子控制程序模塊;③最后,根據(jù)子控制程序模塊處理結(jié)果輸出電磁閥控制信號。

    通信主程序主要實現(xiàn)了對CAN1、CAN2模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。①從CAN1上接收遙控器按鍵數(shù)據(jù),解碼后賦值給各按鍵狀態(tài)變量;②從CAN2上接收CAN總線傳感器數(shù)據(jù),根據(jù)傳感器ID將數(shù)據(jù)解碼后賦值給對應(yīng)的傳感器變量;③根據(jù)邏輯主程序處理結(jié)果,將打包后的鉆機信息發(fā)送至CAN1,供遙控器接收處理。

    2.2 自動化鉆孔施工算法

    為實現(xiàn)鉆機自動化鉆孔施工功能,需在給進起拔油缸內(nèi)部布置磁致伸縮位移傳感器輔助判斷動力頭位置,同時需布置兩個夾持器和一個卸扣器以實現(xiàn)鉆桿自動裝卸。圖4a為鉆機機身布置,為實現(xiàn)鉆機自動化鉆孔施工,在動力頭導(dǎo)軌上標定了4個動力頭位置:Z1、Z2、Z3、Z4,分別用于自動程序起始點、第一根鉆桿上/卸扣點、第二根鉆桿上/卸扣點和結(jié)束點的判定。

    設(shè)計的自動鉆進程序流程如圖4b所示:①檢測鉆機狀態(tài)(動力頭位置,主動鉆桿與鉆桿連接狀態(tài)),將鉆機狀態(tài)恢復(fù)至主動鉆桿與鉆桿分離,前夾持器夾緊鉆桿,后夾持器張開,動力頭在最末端Z4位置;②將待加載鉆桿放在中軸線上,后夾持器夾緊待加載鉆桿,動力頭給進至Z3位置;③回轉(zhuǎn)器帶動主動鉆桿正轉(zhuǎn),上待加載鉆桿后端絲扣;④上扣完成后,后夾持器打開,動力頭給進至Z2位置;⑤回轉(zhuǎn)器正轉(zhuǎn),開始上待加載鉆桿前端扣;⑥上扣完成后,前夾持裝置張開,全速回轉(zhuǎn)鉆進,動力頭移動至最前端Z1位置;⑦前夾持器夾緊,回轉(zhuǎn)器反轉(zhuǎn)卸待加載鉆桿后端扣;⑧卸扣完成后,動力頭后退至最末端Z4位置,加載一根鉆桿動作完成;⑨反復(fù)重復(fù)上述步驟,即實現(xiàn)鉆機自動鉆進功能。

    圖3 鉆機控制器主程序流程

    圖4 自動鉆孔施工流程

    自動起鉆流程與自動鉆進動作剛好相反,設(shè)計的自動起鉆程序流程如圖4c所示:①檢測鉆機狀態(tài)(動力頭位置,主動鉆桿與鉆桿連接狀態(tài)),將鉆機狀態(tài)恢復(fù)至主動鉆桿與鉆桿分離,后夾持器張開,前夾持器夾緊待拆卸鉆桿;②動力頭給進至最前端Z1位置,回轉(zhuǎn)器正轉(zhuǎn)上待拆卸鉆桿后端絲扣;③上扣完畢后,前夾持器打開,動力頭起拔至Z2位置;④前夾持器夾緊待拆卸鉆桿前一根鉆桿,反轉(zhuǎn)卸待拆卸鉆桿前端絲扣;⑤卸扣完畢后,后夾持器夾緊待拆卸鉆桿,反轉(zhuǎn)卸待拆卸鉆桿后端絲扣;⑥卸扣完畢后,動力頭后退至最末端Z4位置,后夾持器張開,取出待拆卸鉆桿,拆卸一根鉆桿完成;⑦反復(fù)重復(fù)上述步驟,即實現(xiàn)鉆機自動起鉆功能。

    3 電液控制系統(tǒng)的集成與應(yīng)用

    為驗證設(shè)計的電控系統(tǒng)和鉆機自動施工技術(shù)的功能和可靠性,將電液控制系統(tǒng)集成在ZDY4000LR鉆機上,進行地面驗證試驗,集成在ZDY6500LQ鉆機上進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

    集成電液控制系統(tǒng)后的ZDY4000LR電控自動化鉆機具備遠程控制、參數(shù)監(jiān)測、工況邏輯判斷、安全互鎖、自動調(diào)平、自動化鉆孔施工等功能。經(jīng)功能性驗證試驗表明:①電液控制系統(tǒng)實時響應(yīng)及時,經(jīng)信號監(jiān)控軟件PCAN View反復(fù)驗證說明,遙控器發(fā)出指令后50 ms內(nèi)控制信號即可傳遞至電磁閥執(zhí)行機構(gòu);②鉆機遠程控制平穩(wěn),通過遙控器可實現(xiàn)50 m遠距離控制鉆機,無明顯遲滯現(xiàn)象;③鉆機工況判斷準確,控制器根據(jù)遙控器按鍵排列完成工況判斷,并將對應(yīng)工況的監(jiān)測界面返回至遙控器屏幕顯示;④具備安全互鎖功能,控制器完成鉆機工況判斷后會將其他工況條件下的電磁閥控制權(quán)限鎖死,防止誤操作發(fā)生安全事故,如在行走工況下,無論怎樣撥動回轉(zhuǎn)、鉆進按鈕,對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)都不會動作;⑤鉆機可在10 s內(nèi)完成自動調(diào)平,且水平度誤差小于0.2°;⑥鉆機自動鉆進和自動起鉆過程中,可在60 s內(nèi)完成單根鉆桿的加載或拆卸。

    ZDY6500LQ鉆機是本套電液控制系統(tǒng)首次進行井下現(xiàn)場工業(yè)性試驗的鉆機產(chǎn)品,具備遠程單動控制功能。于2019年7月起先后有7臺鉆機在淮南礦業(yè)集團顧橋煤礦、張集煤礦、謝橋煤礦進行井下鉆孔施工。截至完稿時,歷時4個月,使用期間電液控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定,操作方便,無故障。現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明:①電液控制系統(tǒng)響應(yīng)及時,滿足井下使用要求;②電液控制系統(tǒng)可靠,在井下惡劣環(huán)境下使用期間無軟硬件故障;③實現(xiàn)了安全互鎖,保證了現(xiàn)場設(shè)備和人員安全;④實現(xiàn)遠程控制功能、工況邏輯判斷功能和參數(shù)監(jiān)測功能,現(xiàn)場工人可遠離鉆機進行控制,進一步保證了現(xiàn)場人員安全;⑤電液控制系統(tǒng)操作方便,現(xiàn)場工人僅需簡單培訓即可進行控制施工。

    圖5 ZDY6500LQ鉆機

    4 結(jié)論

    a.根據(jù)鉆機施工特點,結(jié)合鉆進工藝要求,完成了鉆機電控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)搭建和控制軟件編寫,并設(shè)計了和自動鉆進、自動起鉆方案。所設(shè)計的電控系統(tǒng)可配套在所有煤礦井下全液壓鉆機上。

    b. 所設(shè)計的電控系統(tǒng)分別在ZDY4000LR鉆機、ZDY6500LQ鉆機上進行了集成應(yīng)用。實現(xiàn)了對兩款鉆機的遠程單動控制、參數(shù)監(jiān)測;在ZDY4000LR鉆機進行了鉆機自動鉆進、自動起鉆功能試驗,實現(xiàn)了在60 s內(nèi)完成單根鉆桿的加載或拆卸;在ZDY4000LR鉆機上進行了鉆機自動調(diào)平功能試驗,實現(xiàn)了10 s內(nèi)鉆機自動調(diào)平,且調(diào)平水平度誤差小于0.2°;對ZDY6500LQ鉆機進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗,在使用期間運行平穩(wěn),控制穩(wěn)定,尚未出現(xiàn)故障,電控系統(tǒng)可靠性得到了驗證。

    c.鉆機配套電控系統(tǒng)是實現(xiàn)鉆機自動化的基礎(chǔ),目前對于自動施工技術(shù)的研究還較少,今后可在此基礎(chǔ)上進行更復(fù)雜、更智能的自動施工技術(shù)研究。

    請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息,歡迎與作者進行交流

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    Research on electronically controlled automation technology of underground drilling rig for coal mine

    DONG Hongbo, YAO Ningping, MA Bin, LIAO Jiangnan

    (Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

    In order to conform to the development direction of automation and intelligence of underground equipment in coal mines, a set of electronically controlled system of drilling rig has been developed according to the characteristics of underground drilling rigs in coal mines. The functions such as remote control, parameter monitoring, working condition judgment and safe interlocking were realized in the drilling rig. On the basis of single-acting control of the drilling rig, the technology of automatic drilling and automatic trip-out of the drilling rig was studied, which greatly improved the automation of underground drilling rig in coal mine. The functional experiments and on-site industrial experiments showed that the functionality, the instantaneity and the reliability of the designed electronic control system met the requirements of operation. The developed electronic control system is matched on the drilling rig, which can improve the automation of the drilling rig, better guarantee the safety of personnel and equipment, and play a positive role in promoting the intelligent development of the drilling rig in coal mine.

    full hydraulic underground drilling rig; electronic-hydraulic control technology; automation technology

    TD41

    A

    10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.031

    1001-1986(2020)03-0219-06

    2019-11-18;

    2020-04-10

    國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0808005);萬人計劃專項:煤礦井下鉆探裝備智能化控制技術(shù)研究

    National Key R&D Plan(2018YFC0808005);Ten Thousand Talent Program:Research on Intelligent Control Technology of Underground Drilling Equipment in Coal Mine

    董洪波,1979年生,男,遼寧朝陽人,博士,副研究員,從事煤礦鉆探裝備自動化智能化研發(fā)工作. E-mail:7281574@qq.com

    姚寧平,1970年生,男,甘肅涇川人,博士,博士生導(dǎo)師,研究員,從事煤礦鉆探技術(shù)與裝備的研究與推廣應(yīng)用. E-mail:yaoningping@cctegxian.com

    董洪波,姚寧平,馬斌,等. 煤礦井下坑道鉆機電控自動化技術(shù)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2020,48(3):219–224.

    DONG Hongbo,YAO Ningping,MA Bin,et al. Research on electronically controlled automation technology of underground drilling rig for coal mine[J]. Coal Geology & Exploration,2020,48(3):219–224.

    (責任編輯 聶愛蘭)

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