自適應(yīng)截割功能在掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

成海斌

（西山煤電集團(tuán)西銘礦， 山西 太原 030053）

引言

目前，我國(guó)生產(chǎn)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能化程度低，控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)截割頭控制通過節(jié)流式分流閥進(jìn)行逐級(jí)調(diào)速，這種方式存在大量能源浪費(fèi)，而且掘進(jìn)采煤過程非常依賴有經(jīng)驗(yàn)的操作員工進(jìn)行，稍有操作不當(dāng)可能引起掘進(jìn)機(jī)故障停工。因此對(duì)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)具有重要意義，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化程序越來越高，具有自適應(yīng)截割功能的懸臂式掘進(jìn)機(jī)逐漸應(yīng)用于煤炭掘進(jìn)行業(yè)。本文對(duì)具有自適應(yīng)截割功能的懸臂式掘進(jìn)機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，重點(diǎn)分析了軟硬件設(shè)計(jì)方法[1]。

1 自適應(yīng)截割控制概述

掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行井下巷道掘進(jìn)時(shí)，不同的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)其工作的影響不同，截割頭所開拓的對(duì)象可能是煤炭，也有可能是參雜著程度不同的硬質(zhì)巖石，甚至可能完全是巖石層斷面。掘進(jìn)機(jī)破巖效果是由截割轉(zhuǎn)矩決定的，硬度越高的巖層所需的截割轉(zhuǎn)矩越大，因此掘進(jìn)機(jī)在破巖過程中會(huì)不斷調(diào)整截割頭的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到當(dāng)前最佳的破巖效果，但是在巖石和煤層交替的情況下，截割頭的轉(zhuǎn)速調(diào)整并不總是迅速而準(zhǔn)確，因此經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間處于低速截割狀態(tài)，減慢了掘進(jìn)速度。隨著我國(guó)煤炭開采機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步，小型的掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)不能滿足大型煤礦企業(yè)的產(chǎn)能要求，目前我國(guó)使用的掘進(jìn)機(jī)功率已經(jīng)達(dá)到200 kW，為了提高在各類地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境中的截割速度，截割頭轉(zhuǎn)速和截割部擺動(dòng)速度也需要納入控制參數(shù)當(dāng)中[2-3]。

在我國(guó)，變頻器驅(qū)動(dòng)技術(shù)較少應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的截割電機(jī)，英國(guó)采用變頻器調(diào)速的掘進(jìn)機(jī)可以通過人工操作來調(diào)節(jié)截割頭的轉(zhuǎn)速，在一定程度上提高了截割效率，但是自動(dòng)化程度依然較低。截割頭自適應(yīng)控制的前提是準(zhǔn)確判斷當(dāng)前截割的是煤層還是巖層。煤巖識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，沒有成熟有效的識(shí)別方案，因此變頻器的操作無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前大多依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，這就造成了不同經(jīng)驗(yàn)的操作人員截割效率不同，為了確保安全，工作人員通常會(huì)以犧牲效率的方式進(jìn)行調(diào)速控制。掘進(jìn)機(jī)的截割頭是由截割電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，液壓缸和回轉(zhuǎn)臺(tái)配合實(shí)現(xiàn)截割頭左右方向的運(yùn)動(dòng)，液壓缸升降推動(dòng)截割部實(shí)現(xiàn)截割頭的上限方向運(yùn)動(dòng)。截割頭截割煤層或巖層時(shí)，截割電機(jī)的電流、液壓缸的油壓是不同的，通過截割電機(jī)的電流和液壓缸的油壓判斷當(dāng)前的截割狀態(tài)，然后針對(duì)不同的截割狀態(tài)控制不同的截割速度，即可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割功能[4-5]。

2 截割頭自適應(yīng)控制相關(guān)硬件設(shè)計(jì)

截割頭自適應(yīng)控制最關(guān)鍵的硬件設(shè)計(jì)包括位移傳感器設(shè)計(jì)和電液比例閥設(shè)計(jì)。

2.1 位移傳感器設(shè)計(jì)

截割頭的位置和速度是由三種不同功能的油缸工作狀態(tài)決定的，為了得到截割頭位置和速度的信息，在截割頭伸縮油缸、回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)油缸和截割部升降油缸內(nèi)安裝了位移傳感器。相較于回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)油缸，水平回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸更加重要，因此水平回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸均采用雙位移傳感器配置。適用于煤礦的直線位移傳感器由波導(dǎo)絲、外管、磁環(huán)等部件組成，其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

直線位移傳感器工作原理：磁環(huán)式直線位移傳感器的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生沿波導(dǎo)管的一束縱向磁場(chǎng)，電子部件發(fā)出的電流信號(hào)能夠在磁場(chǎng)的約束下按照指定路徑傳播，通過記錄發(fā)出應(yīng)變脈沖和接收返回信號(hào)的時(shí)間，計(jì)算磁環(huán)的位置，從而得到此時(shí)磁環(huán)的位移。磁環(huán)式直線位移傳感器具有數(shù)據(jù)精確、實(shí)時(shí)性好、免標(biāo)定的特點(diǎn)，失電后重新上電可正常使用。這種測(cè)量方法具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)不用定期標(biāo)定，也不用擔(dān)心斷電后的歸零問題。相較于接觸式拉繩位移傳感器，磁環(huán)式位移傳感器測(cè)量過程中無機(jī)械接觸，機(jī)械損耗和電能損耗很低，長(zhǎng)期使用累計(jì)誤差較小，十分適合井下潮濕、悶熱的工作環(huán)境。

圖1 直線位移傳感器

2.2 電液比例閥設(shè)計(jì)

電液比例閥由電子放大器、比例電磁鐵、滑閥芯、彈簧等構(gòu)成。電液比例閥的開通過程是：輸入控制電壓信號(hào)的范圍是0～10 V，通過電子放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)大小的電流信號(hào)，比例電磁鐵通過此電流后，產(chǎn)生一個(gè)力作用在滑閥芯上，因此輸入電壓越高，電磁鐵通過的電流就越大，最后滑閥芯上的力也就越大，產(chǎn)生的位移就越大，比例閥的開度越大，輸入電壓和閥的開度成比例，因此稱之為電液比例閥。電液比例閥的關(guān)斷過程是：輸入控制電壓信號(hào)為0 后，電磁鐵內(nèi)通過的電流為0，滑閥芯失去電磁鐵提供的作用力從而返回原位，液壓油路被切斷。除了主閥以外，有的電液比例閥還有先導(dǎo)閥，先導(dǎo)閥是一種控制主閥壓力和流量的輔助閥，通過電壓變化控制掘進(jìn)機(jī)所有動(dòng)作和速度調(diào)節(jié)[6-9]。

管路的聯(lián)通和斷開是通過電磁閥進(jìn)行的，在電磁閥的基礎(chǔ)上，電液比例閥的各方面性能更佳，目前已經(jīng)開始全面替代傳統(tǒng)的電磁閥。通過電液比例閥和液壓缸的組合可以對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。電液比例閥的工作原理是：改變控制端的電壓大小，從而改變閥的開度大小，液壓缸內(nèi)的液體流量輸出也隨之改變，開度大小可通過多種物理量進(jìn)行表示，力的大小、壓力大小和電壓大小均可表示。電液比例閥是一種結(jié)合電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的機(jī)電裝置，控制上具有電控系統(tǒng)靈活、準(zhǔn)確、快速的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械上具有能量大的優(yōu)點(diǎn)。由于具有遠(yuǎn)程控制功能，且具有良好的響應(yīng)速度和控制精度，電液比例閥在煤礦機(jī)械設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，提高了煤礦液壓系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。基于以上優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中的掘進(jìn)機(jī)油路系統(tǒng)中，例如截割部升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸、截割頭伸縮油缸中均采用這種控制方式進(jìn)行調(diào)速，實(shí)際應(yīng)用表明能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

3 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件整體結(jié)構(gòu)見圖2，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）數(shù)據(jù)管理功能：對(duì)接觸器、傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。

2）與上位機(jī)通訊功能：完成與操作箱、智能模塊和上位機(jī)軟件等的通信。

3）人機(jī)交互功能：操作人員可以通過下位機(jī)軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制，掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)可以通過下位機(jī)軟件向工作人員顯示。

4）輸出控制功能：主要通過相關(guān)控制算法完成對(duì)變頻器的控制。

5）電機(jī)保護(hù)功能：實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)保護(hù)與運(yùn)行中的各類保護(hù)。

圖2 下位機(jī)軟件整體結(jié)構(gòu)

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件包括監(jiān)控主畫面、報(bào)警界面和截割部狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫面。

1）掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控主畫面：顯示掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，主要是電機(jī)的狀態(tài)和液壓系統(tǒng)液壓油的狀態(tài)，包括截割電機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)、二運(yùn)電機(jī)和油泵電機(jī)的電流、繞組溫度，還包括液壓系統(tǒng)的油溫、油位等信息，使工作人員方便觀察掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀況。

2）掘進(jìn)機(jī)歷史故障查詢界面：可以查詢的報(bào)警信息，主要包括日期和時(shí)間、故障類型、數(shù)值、備注等信息，報(bào)文通過標(biāo)準(zhǔn)的格式存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的查詢和修改。掘進(jìn)機(jī)維修人員能夠通過對(duì)報(bào)文的查詢分析掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)，提高維護(hù)的工作效率。

3）截割部狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫面：截割部是掘進(jìn)機(jī)最關(guān)鍵的部件，其中截割電機(jī)產(chǎn)生的各類故障占掘進(jìn)機(jī)故障的大多數(shù)，因此需要設(shè)計(jì)專用的截割部狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫面，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和電機(jī)電流溫度等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，從而動(dòng)態(tài)制定檢修計(jì)劃，降低截割部故障的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

不同硬度的巖石和煤層對(duì)截割頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作參數(shù)的影響不同，基于此原理，通過檢測(cè)電機(jī)電流大小，分析出當(dāng)前所需截割頭推進(jìn)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)調(diào)速功能。自適應(yīng)截割頭調(diào)速功能具有自動(dòng)化程度高、節(jié)約電能的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了采掘工作的效率，對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化具有顯著意義。