礦用掘進機自動截割控制系統(tǒng)及工程應(yīng)用研究

李淑玲，朱 彤

(1.西安歐亞學院，陜西 西安 710065； 2.中興通訊西安研究所，陜西 西安 710065)

在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用掘進機時表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢，如支護要求較低、作業(yè)效率高等，掘進機已經(jīng)成為煤礦開采中非常重要和關(guān)鍵的機械設(shè)備[1]。掘進機根據(jù)其整體結(jié)構(gòu)又可以分為多種形式。其中，懸臂式掘進機以其顯著的優(yōu)勢應(yīng)用最為廣泛，可以適應(yīng)現(xiàn)場情況截割出不同形狀的截面[2]。受技術(shù)水平限制，我國煤礦中使用的掘進機的自動化控制水平普遍偏低，很多時候需要通過人工操作才能完成設(shè)備的各項功能，這在很大程度上制約了掘進機生產(chǎn)效率的提升，從而影響采煤效率的提升[3]。針對該問題，國內(nèi)學者的技術(shù)人員開展了相關(guān)的研究，設(shè)計了礦用掘進機的控制系統(tǒng)，并在實踐中取得了一定的有效果，為設(shè)備作業(yè)效率的提升奠定了堅實的基礎(chǔ)[4]。

本文在充分借鑒已有成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合某煤礦中使用的掘進機，設(shè)計了自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動化截割，效果良好。對于促進煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的提升具有一定的理論和實踐意義。

1 掘進機的結(jié)構(gòu)概述

掘進機的結(jié)構(gòu)形式有很多種，不同結(jié)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點，適用于不同的場合?？紤]到懸臂式掘進機在煤礦中的應(yīng)用比較廣泛，本文以EBZ200C懸臂式掘進機為例進行分析和研究，該型號懸臂式掘進機的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，掘進機可以劃分成為3個部分，分別為機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。其中，機械系統(tǒng)包括多個部分，比如行走部、裝載部、截割部、運輸部、回轉(zhuǎn)平臺等。電氣系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)對各機械結(jié)構(gòu)件的控制，從而實現(xiàn)掘進機的各項功能，完成掘進工作[5]。

圖1 EBZ200C型掘進機的主要結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of main structure of the EBZ160M roadheader

由圖1可以看出，掘進機的機械結(jié)構(gòu)非常復雜，只有確保各結(jié)構(gòu)之間密切配合，才能夠確保設(shè)備的穩(wěn)定運行，這對自動截割控制系統(tǒng)的性能提出了相對較高的要求。所以，掘進機控制系統(tǒng)一直以來都是該領(lǐng)域研究的熱門問題。

2 控制系統(tǒng)整體方案的設(shè)計

2.1 整體方案設(shè)計

在分析礦用掘進機自動截割控制系統(tǒng)基本需求的基礎(chǔ)上，對其方案進行了整體設(shè)計，掘進機控制系統(tǒng)的整體方案如圖2所示。由圖2可知，整個系統(tǒng)主要由檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元構(gòu)成，還包括信號放大單元和負載比例換向閥組。其中，檢測單元主要為回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸傳感器和電流傳感器，主要作用是對油缸位移大小和截割電機電流大小進行實時檢測，所有傳感器都嵌入到設(shè)備內(nèi)部，不會對其正常工作造成影響。傳感器得到的數(shù)據(jù)信息傳入下位機控制器中進行分析。截割電機電流可以反映設(shè)備的運行功率，電流越大意味著煤巖硬度越高，此時需要適當降低截割頭的移動速度，以適應(yīng)高硬度的煤巖屬性，確保設(shè)備的穩(wěn)定可靠運行。

圖2 掘進機控制系統(tǒng)的整體方案Fig.2 Block diagram of the overall scheme of roadheader control system

自動截割控制系統(tǒng)的控制模塊主要由4個部分構(gòu)成，分別為操作手柄、遙控器、下位機PLC、上位機智能工控面板。PLC放置在位于駕駛座椅旁邊的工控箱內(nèi)，上位機和下位機之間基于CAN總線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。PLC內(nèi)最重要的硬件設(shè)施為CPU和輸入、輸出模塊，輸入和輸出模塊負責數(shù)據(jù)的傳入與傳出，CPU模塊負責對數(shù)據(jù)信息的分析與處理，其性能好壞會對整個自動截割控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生決定性的影響。PLC下達的控制指令需要通過比例放大板進行放大，然后通過比例換向閥進行處理后才可以對油缸執(zhí)行。

2.2 系統(tǒng)的基本原理

礦用掘進機自動截割控制系統(tǒng)的基本原理：掘進機啟動后，控制系統(tǒng)開始工作，首先通過檢測單元對回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的具體位置進行檢測，同時對截割電機的電流進行檢測。檢測信號傳入到下位機控制器中進行分析與處理，控制系統(tǒng)結(jié)合實際情況下達控制指令，基于比例換向閥組對回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸進行控制，進而對截割頭進行控制，達到自動截割的效果。由于不同部位的煤以及煤夾矸的硬度存在很大的差異，這種硬度差異可以通過截割電機的電流進行反饋，檢測到的電流信號反饋到PLC中進行分析后，系統(tǒng)會下達控制指令，適當調(diào)整電機的速度轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整截割力的大小，確保截割效率最高。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 PLC與智能工控面板

PLC控制器和智能工控面板分別屬于自動截割控制系統(tǒng)的下位機和上位機，兩者之間基于CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，兩者組合使用具有良好的穩(wěn)定性和運行速度。

(1)PLC控制器。由圖2可知，下位機PLC控制器需要對傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析和處理，數(shù)據(jù)分析速度會直接影響控制系統(tǒng)的性能，所以對PLC控制器的性能提出了相對較高的要求。結(jié)合實際情況選用S7-200型PLC控制器(圖3)。CPU是PLC控制器中的核心，該型號控制器中使用的CPU型號為222。CPU的輸入接口和輸出接口數(shù)量分別為8個和6個，完全能夠滿足本系統(tǒng)的實際使用要求，可以非常方便與其他硬件設(shè)施進行連接，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展。控制器的存儲空間為6 KB，擁有4個完全相互獨立的高速計數(shù)器，頻率達到了30 kHz。擁有豐富的數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以基于CAN總線通信協(xié)議、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議、RS232通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，可以滿足多場景的使用需要[6]。

圖3 S7-200型PLC控制器的電路原理Fig.3 Circuit schematic diagram of S7-200 PLC controller

(2)智能工控面板。目前市面上同樣有多種類型的智能控制面板可供選擇，結(jié)合實際情況選用的是Power Panel 400系列智能工控面板，具體型號為PP480。該類型控制面板同時支持多個程序運行，并且可以針對不同的控制程序設(shè)置獨立的循環(huán)時間，正好適合本控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中需要同時獨立運行的程序主要包括邊界控制程序、記憶截割程序、自動截割程序等。

3.2 主要傳感器的選型

(1)位移傳感器。位移傳感器的作用主要是對回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的位移量進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果判斷截割頭所處的空間位置，為自動截割控制過程的順利進行奠定堅實的基礎(chǔ)。位移傳感器的檢測精度會對煤礦巷道的邊界控制精度產(chǎn)生非常重要的影響。在對比多種位移傳感器的基礎(chǔ)上最終選用的是GUC 1000型傳感器，屬于本質(zhì)安全型裝置，能滿足煤礦應(yīng)用場景，檢測得到的是0～20 mA的模擬量信號。GUC 1000型位移傳感器的安裝原理如圖4所示。

圖4 位移傳感器的安裝原理Fig.4 Installation principle of the displacement sensor

傳感器的探頭直接安裝在液壓油缸活塞桿內(nèi)部，活塞在運動時會通過磁環(huán)產(chǎn)生脈沖信號被傳感器檢測到，該型號傳感器的有效量程為1 000 mm，可以滿足要求。

(2)電流傳感器。電流傳感器的作用主要是對截割電機運行時的電流大小進行檢測。本文所述型號的掘進機共包含有3臺型號相同的截割電機。選用電流變送器對掘進機截割電機的輸出電流進行檢測，具體型號為GS30-800AAC。正常工作時需要通過DC 18 V電源進行供電，輸出的同樣是0～20 mA的模擬量信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后才能夠輸入到PLC控制器中。

3.3 其他重要硬件設(shè)施

(1)比例放大板。在自動截割控制系統(tǒng)中，比例放大板與PLC控制器進行連接。所有PLC控制器下達的指令都需要通過比例放大板對信號進行放大處理后，再傳輸?shù)綀?zhí)行機構(gòu)中。系統(tǒng)中使用的比例放大板具體型號為EV22K2-12/24，輸入到比例放大板中的電流信號通常不會超過20 mA，但經(jīng)過放大板處理后輸出的電流信號可以達到270～630 mA[7]。

(2)電液比例換向閥。電液比例換向閥是自動截割控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的電氣結(jié)構(gòu)，主要作用是執(zhí)行PLC控制器下達的控制指令，對壓油缸進行控制，從而實現(xiàn)對截割頭的控制。換向閥可以對液壓油缸中的液壓油流動方向及其流動速度進行控制，從而控制截割部的旋轉(zhuǎn)速度、方向，升降速度、方向等。本案例中選用PSL型比例閥，性能比較穩(wěn)定，可以實現(xiàn)速度的無極調(diào)節(jié)，從而保障掘進機運行過程的穩(wěn)定性和可靠性[8]。

4 自動截割控制流程及其方法

4.1 自動截割控制流程

自動截割過程遵循“從左至右、從下至上”的順序進行截割，自動截割控制系統(tǒng)的工作基本流程如圖5所示。

圖5 自動截割控制基本流程Fig.5 Basic flow chart of automatic cutting control

由圖5可知，自動截割控制系統(tǒng)開始工作后，會將截割頭移位到底部的右邊界上，然后從左至右開始沿直線截割，整個過程中只有回轉(zhuǎn)油缸工作，升降油缸固定不動，到達左邊界后截割頭上移一段距離后開始從右至左截割，這樣循環(huán)往復直到截割頭到達巷道的頂板，巷道掘進過程完成。完成上述1個完整的截割周期后，截割頭又會回到右下角原點，再次對煤巖進行截割，實現(xiàn)巷道的不斷向前推進。

控制系統(tǒng)除了控制截割頭按照設(shè)定的線路進行運動以外，最重要的是根據(jù)截割電機的工作電流對煤巖的硬度進行間接識別。如果遇到部分區(qū)域的煤巖硬度相對較大時，截割電機的電流會瞬間變大，此時系統(tǒng)可以調(diào)整截割電機的輸出轉(zhuǎn)速，避免電機工作電流過大對電機造成的損傷甚至損壞，影響設(shè)備運行過程的穩(wěn)定性。

4.2 自動截割控制方法

礦用掘進機自動截割控制系統(tǒng)基于PID控制方法對截割頭進行控制，這種控制方法已經(jīng)在工程中得到了普遍的應(yīng)用，具有多方面的優(yōu)勢，如運行可靠性高、工程實現(xiàn)簡單等[9]?？刂苹驹硎菍嶋H測量值與理想設(shè)定值進行比較，將兩者之間的偏差輸入到控制器中進行分析與處理，并下達控制指令，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制指令控制機構(gòu)的運動，從而保障機構(gòu)運動的精度。PID控制過程可以分成3個環(huán)節(jié)，分別為比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)對應(yīng)有系數(shù)[10]。系數(shù)的設(shè)置會對控制系統(tǒng)的性能參數(shù)顯著的影響，為了保障控制效果和精度，需要充分結(jié)合實際情況對系數(shù)進行設(shè)置。比如，過大的比例系數(shù)能夠在一定程度上提升系統(tǒng)的控制精度，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性會大打折扣?；赑ID技術(shù)的控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 基于PID技術(shù)的控制系統(tǒng)原理Fig.6 Principle block diagram of controlsystem based on PID technology

由圖6可知，截割機構(gòu)運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息會通過傳感器采集后傳輸?shù)娇刂破髦?，這樣形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髦?，與系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)值進行比較，控制器根據(jù)兩者之間的偏差值輸出控制信號。PID控制技術(shù)能夠有效保障控制系統(tǒng)運行過程的精度和穩(wěn)定性。

5 工程應(yīng)用研究

5.1 工程概況

某煤層巷道的底板主要由泥巖和炭質(zhì)泥巖構(gòu)成，同時包含有部分粉砂巖，基本底主要為粉砂巖，具有良好的穩(wěn)定性，頂板主要由粗粒砂巖構(gòu)成，穩(wěn)定性高?，F(xiàn)利用部署有本文設(shè)計研究的自動截割控制系統(tǒng)的EBZ200C掘進機對該巷道進行掘進處理。掘進巷道為矩形，長度為5.8 m、高度為3.5 m，截割順序為自下而上、從右至左，截割過程中兩幫分別預(yù)留0.5 m，進刀深度控制在0.65 m。EBZ200C型掘進機的截割過程如圖7所示。

圖7 EBZ200C型掘進機的截割過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of cutting processof EBZ200C roadheader

5.2 應(yīng)用效果分析

將設(shè)計的自動截割控制系統(tǒng)部署到EBZ200C型設(shè)備上，對其實踐應(yīng)用效果進行分析與評價。經(jīng)過現(xiàn)場實踐測試發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)截割頭位置的準確控制，按照設(shè)定的路線對煤礦巷道進行截割，精度良好。經(jīng)過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)煤及煤夾矸的堅固性系數(shù)f在1.5～2.5內(nèi)變化。為了對比分析掘進機自動截割控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，在連續(xù)4天的19：00—21：00，每間隔10 min對截割電機的電流值進行記錄，自動截割模式下截割電機電流的變化情況如圖8所示。

圖8 自動截割模式下截割電機電流的變化情況Fig.8 Changes of cutting motor current in automatic cutting mode

由圖8中數(shù)據(jù)可以看出，在連續(xù)4 d的監(jiān)測過程中，掘進機截割電機的電流最大值為116 A，最小值只有51 A，平均電流為85.26 A。當電機的電流較大時，說明截割頭正在處理相對較硬的煤矸石；電流較小時，說明截割頭正在處理硬度相對較軟的煤層。本文所述的掘進機，其截割電機允許的最大電流為118.6 A。通過實踐檢測可知，設(shè)備運行時電機的電流值嚴格控制在了設(shè)備允許的范圍以內(nèi)，有效保障了電機的安全性。

為了體現(xiàn)自動截割控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，將系統(tǒng)調(diào)整至手動控制模式，利用同樣的方法連續(xù)4 d對截割電機的電流值進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，在連續(xù)4 d的測試過程中，掘進機截割電機的電流最大值為124 A，最小值為70 A，平均值為91.21 A，并且每天都有電流值超過了電機的允許值。說明在手動控制模式下，由于煤矸石的硬度增加，截割電機經(jīng)常會出現(xiàn)過載的現(xiàn)象。

圖9 手動控制模式下截割電機電流的變化情況Fig.9 Changes of cutting motor current in manual control mode

基于以上分析可知，通過應(yīng)用掘進機自動截割控制系統(tǒng)，可以對整個截割過程進行有效控制。系統(tǒng)可以根據(jù)煤巖硬度對截割速度進行自動化調(diào)整與控制，有效保證了設(shè)備運行過程的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文主要以煤礦中使用的EBZ200C型懸臂式掘進機為對象，對其自動截割控制系統(tǒng)進行了分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)自動截割控制系統(tǒng)共分成為2大部分，即下位機和上位機。其中，下位機部分的作用主要是對設(shè)備運行過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息進行采集與分析；上位機主要是運行系統(tǒng)設(shè)定的內(nèi)置程序，兩者之間基于CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

(2)下位機和上位機中選用的控制器分別為S7-200型PLC和PP480型智能控制面板，選用的位移傳感器和電流傳感器型號分別為GUC 1000和GS30-800AAC，比例放大板和電液比例換向閥的型號分別為EV22K2-12/24和PSL。

(3)系統(tǒng)工作時按照“從左至右、從下至上”的順序?qū)馗铑^進行控制，且可以根據(jù)煤巖硬度對截割電機輸出轉(zhuǎn)速進行控制，在保證截割效率的同時實現(xiàn)設(shè)備的保護。

(4)將設(shè)計的自動截割控制系統(tǒng)部署到EBZ200C型掘進機中，并在工程現(xiàn)場對系統(tǒng)的運行效果進行評價。發(fā)現(xiàn)各項功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，達到了預(yù)期效果，在一定程度上提升了煤礦的自動化水平。