煤巷掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)分析

閻劍俊

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

掘進(jìn)機(jī)在煤炭工程中發(fā)揮著重要作用，隨著現(xiàn)代化采掘理念的推廣，不僅對(duì)于掘進(jìn)機(jī)挖掘效率提出要求，更需要降低掘進(jìn)成本，提高工作效率。其中液壓控制系統(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)重要系統(tǒng)，對(duì)于節(jié)約能源、提高工作效率發(fā)揮著重要作用。因此需要加強(qiáng)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的研究，不斷優(yōu)化硬件和軟件設(shè)計(jì)。

1 液壓控制系統(tǒng)的需求分析

液壓控制系統(tǒng)是煤巷掘進(jìn)機(jī)的重要構(gòu)成，掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)動(dòng)、移機(jī)以及掘進(jìn)均需要由液壓系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)控制以及支撐。液壓控制系統(tǒng)受到液壓站驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過執(zhí)行器件以及傳感器件完成動(dòng)作。液壓系統(tǒng)主要由支撐靴板和推進(jìn)油缸構(gòu)成，支撐靴版位于掘進(jìn)機(jī)上下位置，油缸按照X-Y 軸安裝，共同對(duì)掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行控制[1]。按照運(yùn)行方式，支撐油缸可以分為成組、單獨(dú)以及分層運(yùn)動(dòng)三種方式，油缸油路采取并聯(lián)方式連接，通過機(jī)械作用對(duì)刀盤伸退強(qiáng)制控制。為了保證液壓系統(tǒng)得到安全運(yùn)行，液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵油路需要使用壓力傳感器，推進(jìn)和支撐油缸要使用行程傳感器，可以對(duì)液壓系統(tǒng)行程進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。同時(shí)要使用溫度、冷卻、液位等傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的監(jiān)控。

2 煤巷掘進(jìn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)分析

2.1 控制回路

掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中依賴于切割電機(jī)旋轉(zhuǎn)切割頭，借助于控制系統(tǒng)控制懸臂的方向以及速度，對(duì)煤巖進(jìn)行切割。在生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)常出現(xiàn)控制精度不足，響應(yīng)緩慢的問題。因此調(diào)速電液比例節(jié)流，使用比例方向閥控制切割頭。采用定量泵供油，對(duì)節(jié)流口壓差和流通面積進(jìn)行控制，從而完成調(diào)速。這一控制方式響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精準(zhǔn)。借助于傳感器對(duì)控制方向和大小進(jìn)行控制，速度傳感器可監(jiān)測(cè)到活塞的速度，輸出電信號(hào)，設(shè)置速度信號(hào)，對(duì)方向閥進(jìn)行控制調(diào)速。通過位移傳感器對(duì)活塞位置進(jìn)行檢測(cè)，控制切割頭掘進(jìn)距離。如圖1 所示為控制回路，通過硬件系統(tǒng)和軟件程序的共同作用實(shí)現(xiàn)，提高了掘進(jìn)機(jī)的精度和速度，更有利于保證精準(zhǔn)掘進(jìn)，提高煤礦掘進(jìn)效率。

圖1 掘進(jìn)機(jī)控制回路

2.2 硬件系統(tǒng)

1）接口設(shè)計(jì)主要包括采集接口、數(shù)字量接口、輸出接口、通信接口、存儲(chǔ)模塊幾個(gè)部分。以數(shù)字量接口為例，使用DSP 經(jīng)過CPLD 擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)，讓維護(hù)工作量得到簡(jiǎn)化。由于控制要求輸出電壓，控制器輸出電壓為3.3 V，可選擇東芝光電耦合器件作為輸出驅(qū)動(dòng)器，可以有效去除干擾信號(hào)，保護(hù)控制器。為滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控，DSP 和上位機(jī)信息交互通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)。由于上位機(jī)不存在CAN 接口，使用USB 轉(zhuǎn)CAN 接口實(shí)現(xiàn)通信，如圖2 所示。

圖2 CAN 總線回路

2）電路抗干擾設(shè)計(jì)可以在高噪聲等復(fù)雜背景下獲取信息，提高測(cè)量精度。一般情況信號(hào)頻率＞30 MHz 時(shí)，需要考慮信號(hào)失真問題。頻率＞60 MHz 時(shí)著重考慮信號(hào)完整度問題。系統(tǒng)最大頻率可達(dá)到75 MHz。因此需要使用帶有濾波器或者低通/高通對(duì)低頻和高頻信號(hào)進(jìn)行濾除，將干擾源以及敏感部件進(jìn)行分區(qū)隔離。I/O 口增加隔離芯片，元器件和大功率器件接地，有效減少干擾。布線時(shí)可以提高地線和電源線的橫截面積，保證地線、電源線的走向。電源線均采用＞1 mm 的電線，在空閑區(qū)域增加地線，將溫敏度高和易發(fā)熱的器件分開布設(shè)，避免對(duì)DAC 和運(yùn)放等產(chǎn)生影響。

3）獲取截割頭速度較為困難，主要通過液壓缸的速度進(jìn)行截割頭移動(dòng)速度的計(jì)算。當(dāng)液壓缸速度固定，截割頭位于巷道底部時(shí)可以達(dá)到最快移動(dòng)速度。當(dāng)截割頭垂直擺角超過10°時(shí)，移動(dòng)速度穩(wěn)定。隨著擺角增大，截割頭移動(dòng)速度會(huì)持續(xù)降低。為了對(duì)截割頭速度的控制，需要同時(shí)控制垂直角度和液壓缸移動(dòng)速度。

2.3 軟件系統(tǒng)

2.3.1 斷面截割成型

斷面截割控制是液壓控制系統(tǒng)按照程序設(shè)定進(jìn)行斷面截割，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成型控制，需針對(duì)半圓拱形、梯形以及矩形幾種巷道斷面進(jìn)行精準(zhǔn)控制。截割斷面時(shí)斷面面積一般較極限斷面小，截割過程中需保證邊界成形質(zhì)量，預(yù)防出現(xiàn)欠挖或者超挖的問題，并最大程度上減少人工修復(fù)的情況出現(xiàn)。截割斷面邊界誤差需要控制在7 cm 之內(nèi)。明確巷道斷面尺寸以及形狀后，要確定關(guān)鍵參數(shù)。在自動(dòng)模式下，掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道斷面截割要小于標(biāo)準(zhǔn)巷道輪廓。在停止控制指令后，截割會(huì)受到慣性影響繼續(xù)滑行，可避免接近于最大允許范圍，預(yù)防發(fā)生超挖問題。主要使用ADC 模塊采集傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過DSP 解算處理后控制截割區(qū)域。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)和邊界達(dá)到自動(dòng)截割要求時(shí)，程序可自動(dòng)補(bǔ)償誤差，自動(dòng)控制成型。使用傳感器可以計(jì)算截割速度、油缸壓力以及垂直升降深度等參數(shù)，接近于邊界點(diǎn)時(shí)自動(dòng)降低截割擺動(dòng)速度，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工況達(dá)到斷面成形要求，先對(duì)空間位置進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)程序設(shè)定輸入截割控制指令，計(jì)算模塊計(jì)算截割的角度，確定液壓缸位移?？刂颇K驅(qū)動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，傳感器采集液壓缸的位移情況，最終對(duì)截割頭進(jìn)行控制，按照程序設(shè)定路線進(jìn)行斷面截割。

2.3.2 下位機(jī)軟件

使用CCS6.0 編程軟件進(jìn)行程序編寫，為保證掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳輸，設(shè)定采集程序按照優(yōu)先等級(jí)執(zhí)行，采集數(shù)據(jù)后按照通信格式解析數(shù)據(jù)。首先使用激光測(cè)距、超聲波等傳感器采集數(shù)據(jù)，了解掘進(jìn)工況信息。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器融合處理提高信息可靠性。采集數(shù)據(jù)和處理模塊采集數(shù)字量和模擬量，數(shù)據(jù)采集通過ADC 子程序完成，采取周期中斷方式啟動(dòng)，按照級(jí)聯(lián)模式讀取數(shù)據(jù)，為避免數(shù)據(jù)誤差，程序采取連續(xù)采集10 次后，取中間數(shù)據(jù)的平均值作為采集值，從而提高采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。一般情況下采樣精度誤差較大，需要通過測(cè)試將誤差控制到3%以內(nèi)。以油缸升降的位移傳感器為例，輸出選擇0～10DVC 模式，測(cè)量范圍設(shè)定≤1000 mm，控制誤差在3%之內(nèi)，檢測(cè)誤差設(shè)定30 mm。由于位移誤差會(huì)影響到測(cè)量角度以及截割位置的誤差，進(jìn)而對(duì)自動(dòng)截割精度造成影響。因此需要通過矯正ADC 模塊控制誤差，由于轉(zhuǎn)換特性為線性變化，可能引起偏移或者增益誤差，通過采取對(duì)應(yīng)手段補(bǔ)償誤差[2]。由于傳感器適應(yīng)能力不同，每間隔一段時(shí)間都需要處理傳感器數(shù)組，獲取精確數(shù)據(jù)。把數(shù)據(jù)按照順序保存，方便于調(diào)取數(shù)據(jù)。

2.3.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)需要和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，經(jīng)過對(duì)通信協(xié)議定義設(shè)計(jì)上位機(jī)界面?？刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)交互時(shí)，具備特定的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳工況信息、下發(fā)控制命令、查詢命令以及截割信息配置。傳感器信息經(jīng)過解算后按照順序保存至數(shù)組中，等候CAN 總線調(diào)取，完成數(shù)據(jù)采集后發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采取智能設(shè)計(jì)方案，聯(lián)合QT 和VS 平臺(tái)開發(fā)，使用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采集和顯示工況信息。上位機(jī)使用多線程編程方式，保障了系統(tǒng)的響應(yīng)效率。主線程可以顯示界面，利用輔助線程和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，對(duì)數(shù)據(jù)庫定時(shí)更新。使用TCP 協(xié)議訪問上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制數(shù)據(jù)訪問。

3 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的分析，已經(jīng)通過硬件設(shè)備和軟件程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)截割斷面，實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)工況，控制掘進(jìn)作業(yè)，提高掘進(jìn)效率和安全性。未來還需要進(jìn)一步探索軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)化，優(yōu)化掘進(jìn)精度和可控性，不斷提高掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率，提高作業(yè)精準(zhǔn)度。