礦用掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

李翔宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采中的重要機(jī)械裝備，其運(yùn)行性能好壞對煤礦開采效率有非常重要的影響。在傳統(tǒng)的煤礦掘進(jìn)模式中，掘進(jìn)機(jī)需要通過專門的司機(jī)對其進(jìn)行操作，從而完成掘進(jìn)工作[1]。但煤礦巷道環(huán)境相對較為惡劣，在掘進(jìn)過程中會涌現(xiàn)出大量的瓦斯及其他有毒有害氣體，會對司機(jī)的身體健康造成不良影響，嚴(yán)重時還會威脅人員的安全[2]。為了解決該問題，國內(nèi)外很多學(xué)者和技術(shù)人員都嘗試研究掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，即通過遠(yuǎn)程的方式對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制，現(xiàn)場無需專門人員對其進(jìn)行操作[3-4]。通過這種方式可以讓控制人員遠(yuǎn)離惡劣的操作環(huán)境，保障人員的身體健康和人身安全[5]。

1 礦用掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)概述

本文主要以EBZ-160 型礦用掘進(jìn)機(jī)為研究對象，結(jié)合實際情況對該型號掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和研究，如圖1 所示為該型號掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1 中可以看出，整個掘進(jìn)機(jī)主要由工作機(jī)構(gòu)、鏟板、回轉(zhuǎn)臺、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、雙鏈板運(yùn)輸機(jī)、后轉(zhuǎn)載等部分構(gòu)成。不同結(jié)構(gòu)發(fā)揮各自的作用，共同實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的各項功能。其中電氣系統(tǒng)的作用最為關(guān)鍵，是反映掘進(jìn)機(jī)設(shè)備性能好壞的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)中，即便性能再好的電氣系統(tǒng)，都需要通過操作人員在現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行操作，通過電氣系統(tǒng)對各種液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行控制，才能實現(xiàn)設(shè)備的掘進(jìn)功能。各種控制模式已經(jīng)無法滿足煤礦現(xiàn)代化發(fā)展的基本需要，本文針對該設(shè)備設(shè)計研究一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)人機(jī)分離，通過遠(yuǎn)程方式對設(shè)備進(jìn)行控制。

圖1 EBZ-160 型掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

在分析無人化工作面基本需求的基礎(chǔ)上，對EBZ-160 型掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體方案進(jìn)行了設(shè)計研究，如圖2 所示為設(shè)計的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。從圖2 中可以看出，整個控制系統(tǒng)由五大部分構(gòu)成，分別為電控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)。除視頻監(jiān)視系統(tǒng)以外，其他系統(tǒng)全部和PLC 控制器進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)傳入PLC 控制器中進(jìn)行分析并接受PLC 控制器的控制，從而實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動化運(yùn)行。

圖2 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)的主要構(gòu)成

1）傳感檢測系統(tǒng)。作用主要是對掘進(jìn)機(jī)各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實時檢測，需要檢測的數(shù)據(jù)信息包括電機(jī)運(yùn)行電流和電壓值、設(shè)備整體姿態(tài)信息、截割頭位置信息等，采集得到的信息傳入到PLC控制器中進(jìn)行分析和處理。

2）控制系統(tǒng)。傳感器采集得到的信息會傳入到控制系統(tǒng)中的PLC 控制器中，根據(jù)內(nèi)置程序?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，得到相關(guān)結(jié)果并根據(jù)結(jié)果下達(dá)控制指令。所有重要的數(shù)據(jù)信息都需要傳入到顯示系統(tǒng)中進(jìn)行實時顯示，以便工作人員及時掌握掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。

3）執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)主要通過運(yùn)動放大卡和比例電磁閥等元器件構(gòu)成，作用是根據(jù)控制系統(tǒng)下達(dá)的控制指令對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的各種動作，完成掘進(jìn)工作。

4）視頻監(jiān)視系統(tǒng)。主要作用是利用高清防爆攝像頭對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行全方位監(jiān)控，采集得到的視頻信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)娇刂剖?，并在顯示屏中實時顯示，操作人員可以通過視頻實時掌握掘進(jìn)機(jī)在巷道中的實際狀態(tài)。

5）顯示系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的顯示系統(tǒng)由三臺顯示器組成，其中一臺顯示器主要顯示視頻監(jiān)視系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l信息，一臺顯示器顯示掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，這兩臺顯示器放置在遠(yuǎn)程控制室。另外，在掘進(jìn)機(jī)中設(shè)置一臺顯示器，同樣可以觀察其運(yùn)行狀態(tài)。

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要硬件選型設(shè)計

3.1 PLC 控制器選型

由于掘進(jìn)機(jī)需要實現(xiàn)無人化操作，所以對PLC控制器的性能要求相對較高。由于掘進(jìn)機(jī)工作時需要進(jìn)行運(yùn)算的量并不是非常大，基于以上實際情況選用的是西門子公司研制生產(chǎn)的S7-300 型PLC 控制器，該型號控制器在工程中得到很多的應(yīng)用，運(yùn)行效果較好[6]。S7-300 型PLC 控制器具有很多模塊可以使用，具有豐富的AI 和AO 接口，通過這些接口可以與其它硬件設(shè)置進(jìn)行連接，從而拓展控制器的功能。

如圖3 所示為S7-300 型PLC 控制器的整體結(jié)構(gòu)框圖。由圖3 可知，PLC 控制器主要由電源、CPU和存儲器等元器件構(gòu)成，其中CPU 是PLC 控制器的核心，其性能好壞對控制器的性能有決定性的影響。在控制器中選用的CPU 型號224XP，該CPU 不僅價格便宜，并且具有良好的運(yùn)行速度，自帶24 個I/O接口，7 個擴(kuò)展接口和2 個通信接口。

圖3 PLC 控制器的結(jié)構(gòu)框圖

3.2 傳感器選型

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)涉及到很多傳感器，以下主要對激光傳感器和直線位移傳感器進(jìn)行介紹。

1）激光傳感器。該傳感器的作用主要是測量距離，由于礦井工作環(huán)境復(fù)雜，對測量結(jié)果精度影響的因素相對較多，所以選用的是工業(yè)級大功率激光測距儀器。具體而言選用的是DLS-E50 型激光測距儀器，如圖4 所示為該傳感器的實物圖。該傳感器的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)無接觸測量，且結(jié)果精度相對較高，在很多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。測量距離可以在0.5～10 m 范圍內(nèi)，精度可以控制在3 mm 范圍內(nèi)。

圖4 DLS-E50 型激光測距儀器

2）位移傳感器。該傳感器的主要作用是對掘進(jìn)機(jī)中各機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動位移大小進(jìn)行實時檢測，因此需要將傳感器內(nèi)置到掘進(jìn)機(jī)各油缸內(nèi)。傳感器的工作屬性決定了該傳感器難以維護(hù)保養(yǎng)，對傳感器的性能提出了相對更高的要求，結(jié)合實際情況選用的是GUC1200（A）礦用本安型位移傳感器，量程可達(dá)到1 200 mm，如圖5 所示為該傳感器的實物圖。

圖5 GUC1200（A）礦用本安型位移傳感器

4 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

將以上設(shè)計的礦用掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦開采工程實踐中，并對應(yīng)用效果進(jìn)行了實踐測試與驗證，對控制系統(tǒng)的實踐運(yùn)行情況進(jìn)行了連續(xù)六個月時間的觀察與測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個測試期間控制系統(tǒng)運(yùn)行良好穩(wěn)定，具有很高的可靠性，操作人員可以在遠(yuǎn)程操作端對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制，完成相關(guān)的掘進(jìn)工作。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，使得煤礦開采自動化水平得到了顯著提升。與原有的操作模式相比較，人工勞動強(qiáng)度得到顯著降低，且可以很好的保障操作人員的身體健康和人生安全。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，可以降低人工成本15%以上。由于實現(xiàn)了自動化控制，所以掘進(jìn)斷面質(zhì)量得到了明顯提升，遠(yuǎn)程控制精確度超過98%，可以對掘進(jìn)機(jī)的行走軌跡進(jìn)行精準(zhǔn)控制，與原有控制模式相比較，行走偏差調(diào)節(jié)時間縮短30%左右。經(jīng)過初步統(tǒng)計分析認(rèn)為，通過使用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，每年可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造200 萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

煤礦開采中掘進(jìn)機(jī)發(fā)揮著非常重要的作用，會對煤礦開采效率產(chǎn)生非常重要的影響。掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的自動化水平會影響整個煤礦企業(yè)的自動化水平。本文以EBZ-160 型礦用掘進(jìn)機(jī)為研究對象，結(jié)合實際情況設(shè)計研究了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的成功實踐應(yīng)用，實現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，不僅保障了設(shè)備操作人員的身心健康，同時在很大程度上提升了掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行效率。通過實踐應(yīng)用測試發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制精度有了顯著提升，控制效率也得到了很好的改善，每年可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造200 萬元的經(jīng)濟(jì)效益。