礦井電牽引滾筒采煤機(jī)姿態(tài)控制電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝小衛(wèi)，張亮亮

(山西呂梁中陽西合煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400)

煤炭能源一直占據(jù)住我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的榜首，雖然目前我國(guó)正在大力發(fā)展新能源和實(shí)施綠色發(fā)展的環(huán)保戰(zhàn)略，但是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)對(duì)于煤炭的需求量還會(huì)持續(xù)增加，社會(huì)的發(fā)展需要煤炭提供能源支撐。煤炭開采工藝中引用了各類機(jī)械設(shè)備和電氣系統(tǒng)。其中采煤機(jī)作為直接與煤層接觸的機(jī)械設(shè)備，保證采煤機(jī)工作的穩(wěn)定性并且提高氣開采效率是關(guān)鍵。采煤機(jī)將根據(jù)綜采工作面的工藝變換轉(zhuǎn)移位置并且調(diào)整工作姿態(tài)，以滿足煤炭開采的需要。電牽引滾筒采煤機(jī)是煤礦企業(yè)常用的開采設(shè)備，在實(shí)際工程中，依舊是采用人工跟機(jī)操作的工作方式對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行姿態(tài)條件，該類姿態(tài)調(diào)節(jié)方式缺乏智能化和高效性。面對(duì)綜采工作面智能化發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)該設(shè)計(jì)出一套應(yīng)用于電牽引滾筒采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)、控制的電氣系統(tǒng)，解決目前采煤機(jī)在工作面地勢(shì)變化多端的情況下不能進(jìn)行自動(dòng)化姿態(tài)調(diào)節(jié)的瓶頸，擴(kuò)大電牽引滾筒采煤機(jī)的適用范圍[1]。采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的應(yīng)用將擴(kuò)大智能化電氣系統(tǒng)在礦井中的應(yīng)用范圍，提升礦井安全生產(chǎn)本質(zhì)化管理水平。

1 姿態(tài)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)主要針對(duì)采煤機(jī)在綜采工作面不同位置的信息進(jìn)行獲取，并實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)的相位坐標(biāo)。主要從姿態(tài)控制系統(tǒng)的任務(wù)分析和功能需求方面對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定義。

(1)姿態(tài)控制系統(tǒng)的任務(wù)主要分為4點(diǎn)：①檢測(cè)采煤機(jī)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；②通過高速攝像機(jī)對(duì)采煤機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行攝影；③監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的歷史工作數(shù)據(jù)；④根據(jù)數(shù)據(jù)反饋信息對(duì)姿態(tài)控制策略進(jìn)行決策。

(2)對(duì)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行定義，包括信號(hào)采集、控制規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行等3個(gè)層次的協(xié)調(diào)工作。首先通過對(duì)采煤機(jī)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)圖像的采集方式并結(jié)合收集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)姿態(tài)下一步位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)總體方案

1.2.1 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦企業(yè)對(duì)礦井電氣設(shè)備的控制策略，控制類型主要分為集中式控制和分布式控制。其中集中式控制對(duì)后臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能要求較高，而分布式控制對(duì)于綜采工作面各電氣設(shè)施布置的合理性要求更為精細(xì)。由于礦井工作面分布范圍較廣，采煤機(jī)的移動(dòng)范圍也隨之?dāng)U大。因此，選用分布式的控制方案，將控制系統(tǒng)分散至各個(gè)綜采工作面，通過多個(gè)工業(yè)處理器與姿態(tài)控制系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行[2]。分散式系統(tǒng)總體控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制方案Fig.1 System overall control plan

1.2.2 系統(tǒng)硬件組成

采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件主要包括各類傳感器，對(duì)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、接口通信等功能的實(shí)現(xiàn)。其中傳感器的選用應(yīng)符合本質(zhì)安全型設(shè)備，具有防水、防火、防爆等功能。最關(guān)鍵設(shè)備——電子羅盤是對(duì)采煤機(jī)姿態(tài)的平衡位置進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可對(duì)采煤機(jī)的傾角和擺角進(jìn)行記錄。由于采煤機(jī)是通過液壓缸實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的動(dòng)作，因此油缸內(nèi)液壓油的壓力傳感器也是選型的關(guān)鍵。最終各類數(shù)據(jù)的采集，都將通過安裝在采煤機(jī)上的編碼器進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)化為機(jī)器能夠讀取的數(shù)字信號(hào)。為提高采煤機(jī)姿態(tài)控制的精度，在采煤上對(duì)各類硬件進(jìn)行布局，也需要進(jìn)行深入論證。采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件布局簡(jiǎn)化后如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件布局Fig.2 Hardware layout of shearer attitude control system

2 采煤機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 位置檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

(1)定位方式分析。實(shí)現(xiàn)自帶控制系統(tǒng)的功能，首先應(yīng)該對(duì)采煤機(jī)位置實(shí)施精準(zhǔn)的檢測(cè)。根據(jù)采煤機(jī)的工作狀態(tài)，采煤機(jī)與液壓支架、刮板輸送機(jī)是聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備作業(yè)集體。在明確采煤機(jī)工作位置時(shí)，應(yīng)結(jié)合工作面位置和液壓支架、刮板輸送機(jī)的作業(yè)面位置聯(lián)合確定。面對(duì)復(fù)雜惡劣的作業(yè)環(huán)境，首先對(duì)位置定位方案進(jìn)行確定。由于采煤機(jī)是通過鋪設(shè)在工作面的軌道進(jìn)行位置的變化，可通過采煤機(jī)行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)對(duì)采煤機(jī)的位移情況進(jìn)行判定。

(2)定位方案設(shè)計(jì)。明確了采用角位移傳感器測(cè)量采煤機(jī)行走輪角速度的方式對(duì)位移進(jìn)行檢測(cè)。采煤機(jī)的多個(gè)行走輪的圈數(shù)和角位移數(shù)據(jù)通過編碼器采集后，會(huì)形成脈沖信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至單片機(jī)芯片處理，此時(shí)單片機(jī)形成了上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)輸送通道[3]，定位方案如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)位置檢測(cè)定位方案Fig.3 Shearer position detection and positioning scheme

由圖3可知，通過霍爾開關(guān)的直接校對(duì)，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)編碼器在磁感應(yīng)方面有較大的提升。不同電回路內(nèi)的電子芯片兩端有電位差，使得霍爾開關(guān)的內(nèi)部產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，影響了對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)的靈敏性。因此，單片機(jī)芯片采用集成封裝工藝設(shè)計(jì)，同型號(hào)芯片也將在刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵位置安裝，通過信號(hào)在同頻道的傳輸，編碼器可讀取多個(gè)位置傳輸?shù)奈恢眯盘?hào)，實(shí)現(xiàn)最終的信號(hào)位置的統(tǒng)一校正。

2.2 姿態(tài)檢測(cè)方案

MG2×200/550-WD型采煤機(jī)配備有HMR3300型的三維電子羅盤[4]。該型號(hào)電子羅盤可通過周圍磁場(chǎng)的變化對(duì)空間位置進(jìn)行確定。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)將通過電子羅盤對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)測(cè)量，對(duì)航向角、俯仰角和橫滾角等關(guān)鍵姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行記錄。電子羅盤依據(jù)的空間法則為笛卡爾坐標(biāo)體系，采用右手法則，圍繞X軸右向旋轉(zhuǎn)為俯仰角、y軸右向旋轉(zhuǎn)為橫滾角、z軸右向旋轉(zhuǎn)為航向角。通過HMR3300電子羅盤的磁阻傳感器和橫滾傳感器的雙重測(cè)量，獲得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至電子羅盤的內(nèi)部直接存儲(chǔ)器內(nèi)。同時(shí)，電子羅盤與計(jì)算機(jī)的通信接口進(jìn)行連接，經(jīng)過PC端的解析計(jì)算采煤機(jī)俯仰角，對(duì)采煤機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)、修正。

2.3 采煤機(jī)視頻監(jiān)視功能

除了對(duì)采煤機(jī)姿態(tài)控制的后臺(tái)智能調(diào)節(jié)，還將實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)姿態(tài)的視頻監(jiān)視功能。采用FA-IE088M型工業(yè)相機(jī)(圖4)對(duì)采煤機(jī)姿態(tài)動(dòng)作進(jìn)行抓拍，獲得高分辨率圖像，計(jì)算機(jī)可通過圖像分析采煤機(jī)的姿態(tài)狀態(tài)。FA-IE088M型工業(yè)相機(jī)適合對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的物體進(jìn)行抓拍，每秒的幀率可達(dá)60幀。拍照?qǐng)D像效果極佳，具有高達(dá)60 dB的信噪比[5]。視頻監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，還需要對(duì)視頻信息的處理軟件進(jìn)行開發(fā)。調(diào)取函數(shù)庫IEUCap(V4.7.0.0)連接硬件數(shù)據(jù)端口，將工業(yè)相機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置。在完成數(shù)據(jù)采集后，在函數(shù)庫中調(diào)取相應(yīng)的函數(shù)編碼，便可獲得視頻數(shù)據(jù)的圖像顯示。

圖4 FA-IE088M型工業(yè)相機(jī)示意Fig.4 Schematic diagram of FA-IE088M industrial camera

3 采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 姿態(tài)控制系統(tǒng)的整體性分析

采煤機(jī)并非是綜采工作面的一個(gè)絕對(duì)獨(dú)立的機(jī)械設(shè)備，受到液壓支架和刮板輸送機(jī)安裝位置的影響，采煤機(jī)擺臂的姿態(tài)受到工作面空間大小的影響，而整體的機(jī)身傾角姿態(tài)受到了刮板輸送機(jī)的影響。MG2×200/550-WD型采煤機(jī)作為電牽引滾筒采煤機(jī)，主要的工作姿態(tài)為機(jī)身傾角和搖臂傾角。當(dāng)刮板輸送機(jī)的底板在工作面內(nèi)安裝不平整時(shí)，就會(huì)影響采煤機(jī)的截割滾筒高度。而煤炭的開采高度，由擺臂的擺角決定。因此，采煤機(jī)任何一個(gè)姿態(tài)參數(shù)都由多個(gè)其他參數(shù)共同決定，如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)姿態(tài)調(diào)高模型Fig.5 Shearer attitude height adjustment model

采煤機(jī)的調(diào)高裝置是由液壓伺服系統(tǒng)完成，通過電磁閥控制液壓油的運(yùn)動(dòng)，液壓缸活塞推動(dòng)液壓油完成零部件的動(dòng)作。采煤機(jī)的姿態(tài)調(diào)整主要以滾筒高度、搖臂傾角、調(diào)高油缸行程變化量為主要的參數(shù)[6]。在系統(tǒng)軟件編程設(shè)置調(diào)高油缸行程為控制量，搖臂傾角為監(jiān)測(cè)量。當(dāng)綜采工作面呈傾斜狀態(tài)時(shí)，在計(jì)算采煤機(jī)機(jī)身傾角時(shí)，應(yīng)結(jié)合搖臂的水平面傾角和底板傾角綜合計(jì)算。在設(shè)計(jì)采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮綜采工作面的傾角問題，尤其是采煤機(jī)在仰采煤炭時(shí)，由于底板不平整將加劇采煤機(jī)的整體波動(dòng)。

3.2 控制方案設(shè)計(jì)

隨著時(shí)間的推移，煤礦地質(zhì)條件會(huì)產(chǎn)生一定的差異性，在設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理念。不同煤層夾雜的巖石硬度各不相同，采煤機(jī)的搖臂觸及到煤層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的油壓反應(yīng)。系統(tǒng)將根據(jù)油缸工作壓力的變化，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行不斷修正。根據(jù)當(dāng)前的采高對(duì)調(diào)高點(diǎn)的高度進(jìn)行修正。首先記錄采煤機(jī)在正常煤層開采的壓力數(shù)值，其次對(duì)采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制時(shí)的油缸壓力數(shù)值進(jìn)行記錄，并將2個(gè)壓力數(shù)值相減獲得壓力差值。確保該差值在合理的誤差控制范圍內(nèi)，如超過極限插值，將按照調(diào)高指令進(jìn)行調(diào)整。控制方案誤差控制修正流程如圖6所示。

圖6 控制方案誤差控制修正流程Fig.6 Error control and correction flow chart of the control scheme

3.3 截割軌距調(diào)高制定

由于綜采工作面的作業(yè)底板凹凸不平，缺乏平整性，要求采煤機(jī)要根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)對(duì)底板的適應(yīng)性。采煤機(jī)在截割煤炭時(shí)，受到綜采工作面底板平整度的影響，需要根據(jù)煤炭的截割部位，調(diào)集采煤機(jī)的高度以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。礦井技術(shù)人員會(huì)制動(dòng)采煤機(jī)截割軌跡，按照擬定的速度向前推進(jìn)。由于采煤機(jī)推進(jìn)速度較低，同時(shí)液壓缸的伺服電機(jī)調(diào)解具有延時(shí)性，導(dǎo)致截割運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)調(diào)高不宜太過頻繁。為了提高采煤機(jī)姿態(tài)控制計(jì)算的效率，將單位面積內(nèi)的綜采工作面劃分為30×30網(wǎng)格點(diǎn)的信息采集點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了多段同時(shí)調(diào)高點(diǎn)的信息采集。MG2×200/550-WD型采煤機(jī)的最大移動(dòng)速度為7 m/min[7]，而綜采工作面按照大約每200 m為一段，在設(shè)計(jì)采煤機(jī)滾筒姿態(tài)的信息采集點(diǎn)時(shí)，一個(gè)工作面內(nèi)設(shè)置約30個(gè)點(diǎn)，假定采煤機(jī)按照6 m/min勻速運(yùn)動(dòng)向前推進(jìn)。根據(jù)移動(dòng)速度調(diào)整姿態(tài)控制系統(tǒng)，按照采煤機(jī)的移動(dòng)速度對(duì)擺臂調(diào)高數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。姿態(tài)控制系統(tǒng)將發(fā)射調(diào)高指令電信號(hào)，同時(shí)輸出一個(gè)偏差電壓信號(hào)，該信號(hào)會(huì)控制電磁閥對(duì)液壓缸進(jìn)行吸油動(dòng)作[8]。此時(shí)的擺臂將上揚(yáng)，當(dāng)部件達(dá)到預(yù)定位置后就會(huì)發(fā)射反饋信號(hào)。反饋信號(hào)與偏差電信號(hào)相比較，2個(gè)信號(hào)的誤差值小于系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)后，將停止截割搖臂的調(diào)高動(dòng)作。此時(shí)，采煤機(jī)便完成一次自動(dòng)調(diào)高過程，如圖7所示。

圖7 采煤機(jī)截割軌距調(diào)高流程Fig.7 Shearer cutting gauge height adjustment process

4 姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

根據(jù)所檢測(cè)的物理量不同，通過仿真技術(shù)軟件模擬液壓伺服系統(tǒng)的工作特性，主要有3種典型的控制方式，即位移反饋、速度反饋和力(壓力)反饋。針對(duì)MG2×200/550-WD型采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)，分析其在壓力控制方式下的動(dòng)態(tài)特性。該系統(tǒng)主要由PID控制器、電磁換向閥閥、閥控液壓缸及負(fù)載和壓力傳感器等構(gòu)成。電磁閥控制液壓油的流動(dòng)方向，使得活塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，MG2×200/550-WD采煤機(jī)的采高范圍最大為2.0 m[9]，由于液壓油具有液體的黏性，摩擦系數(shù)設(shè)置為1.36×105N·s/m，在初始運(yùn)行階段應(yīng)設(shè)置不小于1 MPa的最低啟動(dòng)壓力[10]。

圖8 采煤機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真模型計(jì)算Fig.8 Calculation diagram of the simulation model of the shearer attitude control system

利用Matlab/Simulink軟件建立采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)的模型?？刂葡到y(tǒng)各部分在正常工作的各種工況下的延時(shí)是相同的，模型中不考慮各部分的延時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。MG2×200/550-WD采煤機(jī)正常工作時(shí)調(diào)高油缸活塞腔內(nèi)的壓力為7～18 MPa，因此在仿真模型中設(shè)定液壓缸壓力控制誤差限值為18 MPa。

4.1 油缸工作壓力正常時(shí)的控制系統(tǒng)仿真

假設(shè)t=3 s時(shí)刻，液壓缸的壓力值為p=10 MPa，煤層頂板落差為0.1 m，即系統(tǒng)的輸入r1=10，r=0.1。則在仿真系統(tǒng)中的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 壓力控制與滾筒調(diào)高關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between pressure control and drum height adjustment

上述情況下，液壓缸工作壓力在控制誤差限之內(nèi)。當(dāng)液壓缸工作壓力在控制誤差限以內(nèi)時(shí)，調(diào)高系統(tǒng)根據(jù)調(diào)高指令來決定是否需要?jiǎng)幼?。所以調(diào)高系統(tǒng)依據(jù)調(diào)高指令進(jìn)行動(dòng)作。在t=3 s時(shí)刻，搖臂開始動(dòng)作，在t=5 s時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定。

4.2 油缸工作壓力超限時(shí)的控制系統(tǒng)仿真

當(dāng)液壓缸壓力超出誤差控制限時(shí)，要先通過子系統(tǒng)if action 2來改變滾筒的位置，使其向液壓缸工作壓力減小的方向變化，待液壓缸工作壓力回到誤差控制限以內(nèi)時(shí)，再通過調(diào)高指令決定滾筒高度是否需要改變。假定t=3 s時(shí)刻，液壓缸的壓力值為p=19MPa，煤層頂板落差為0.1m，即系統(tǒng)的輸入r=0.1，即r1=19?？刂葡到y(tǒng)仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 壓力超限后的變化曲線Fig.10 Change curve after the pressure exceeds the limit

在t=3 s時(shí)刻，當(dāng)液壓缸工作壓力超限時(shí)，首先通過子系統(tǒng)if action2對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，在t=3.3 s時(shí)刻壓力值回歸到誤差限以內(nèi)。此時(shí)，再觸發(fā)調(diào)高指令子系統(tǒng)if action1對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。由圖11可看出，在上述情況下，調(diào)高子系統(tǒng)也是在t=3.3 s時(shí)刻后才開始對(duì)滾筒實(shí)施調(diào)高，說明滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的壓力監(jiān)測(cè)響應(yīng)良好。

圖11 壓力超限情況下滾筒跟蹤曲線Fig.11 Roller tracking curve when the pressure exceeds the limit

通過仿真結(jié)果看出，該方案中，采煤機(jī)滾筒控制系統(tǒng)對(duì)液壓缸工作壓力監(jiān)測(cè)狀況的響應(yīng)良好，在壓力監(jiān)測(cè)值由超限回復(fù)到正常水平后，滾筒調(diào)高模塊能夠迅速按照調(diào)高指令的命令對(duì)滾筒高度進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語

針對(duì)目前采煤機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用中所出現(xiàn)的工作姿態(tài)控制問題，以MG2×200/550-WD型采煤機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)該型號(hào)采煤機(jī)的工作特點(diǎn)，對(duì)其姿態(tài)控制和監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的任務(wù)、目標(biāo)、需求進(jìn)行了闡述，結(jié)合電牽引滾筒采煤機(jī)的實(shí)際工況條件，對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件、軟件的需求進(jìn)行了分析，并對(duì)軟、硬件在姿態(tài)控制運(yùn)動(dòng)控制方面的要求進(jìn)行了規(guī)定。利用仿真技術(shù)軟件對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模，依據(jù)不同工況下的采煤機(jī)姿態(tài)模型，設(shè)計(jì)出采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、控制一體化的控制系統(tǒng)，有效提升了綜采工作面的自動(dòng)化水平、保障了煤炭物料開采的高效性。