礦井液壓支架激光定位傳感器的應(yīng)用研究

盧金強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

引言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)為代表的綜采面核心裝備的綜采協(xié)同要求不斷提高，要求液壓支架、刮板輸送機(jī)在綜采作業(yè)過程中保持處于直線狀態(tài)并且能夠根據(jù)采煤機(jī)的綜采作業(yè)情況進(jìn)行跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制。在運(yùn)行過程中液壓支架需要對采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的位置狀態(tài)進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)整支護(hù)情況，保證跟機(jī)的調(diào)整效率和精度。目前在井下作業(yè)中主要是在綜采面采用拉鋼絲或者設(shè)置一個(gè)激光光束作為支架調(diào)整的標(biāo)記線，由人工支架的位置進(jìn)行調(diào)整，滿足精確定位的需求，但該方案存在著調(diào)整精度差、效率低的不足，難以滿足采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的綜采聯(lián)動(dòng)控制要求。

結(jié)合井下綜采作業(yè)環(huán)境及液壓支架的精確定位需求，本文提出了一種新的液壓支架激光定位傳感器，對該激光定位傳感器的結(jié)構(gòu)組成、高精度定位原理及井下應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該液壓支架激光定位傳感器能夠?qū)⒁簤褐Ъ艿膶R精確度提升到±15 mm，將對齊調(diào)節(jié)時(shí)間降低72.1%，顯著地提升了采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的協(xié)同作業(yè)精確性，目前該系統(tǒng)已在多個(gè)煤礦投入應(yīng)用，取得了極好的應(yīng)用效果。

1 液壓支架移架對齊原理

液壓支架在跟機(jī)運(yùn)行的過程中，在不同的時(shí)間段處于采煤機(jī)不同位置的液壓支架的動(dòng)作狀態(tài)不一致，而且需要跟隨采煤機(jī)的運(yùn)行不斷調(diào)整支護(hù)位置，滿足跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，為了保證跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制的精確性和支護(hù)安全性，在液壓支架調(diào)整的過程中需要各個(gè)支架需要保持在一條直線上。因此提出了一種新的液壓支架對齊方案，在相鄰的液壓支架兩側(cè)分別設(shè)置激光傳感器，其兼有激光發(fā)射和接收的功能，將一個(gè)液壓支架作為基準(zhǔn)支架，通過激光發(fā)射裝置向臨近的支架發(fā)出激光定位線束，控制系統(tǒng)對接收到的激光定位信號(hào)進(jìn)行分析，判斷是否發(fā)生偏位，并對偏位量進(jìn)行確認(rèn)，為液壓支架的位置修正提供依據(jù)，直到移動(dòng)的液壓支架上的激光接收裝置能對正接收激光定位線束，表示移架到位。后續(xù)的支架在調(diào)整的過程中則以前一個(gè)支架為基準(zhǔn)位置進(jìn)行調(diào)整，從而保證了液壓支架組在調(diào)整過程中的直線度。

該激光定位移架控制系統(tǒng)和液壓支架的調(diào)整控制系統(tǒng)相連接，通過對所接收到的激光束的強(qiáng)度和偏位量進(jìn)行分析，確定液壓支架的偏位情況，將其轉(zhuǎn)換為位移調(diào)整信號(hào)傳遞給液壓支架的調(diào)整控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)支架根據(jù)激光定位監(jiān)測結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行位置調(diào)整，給液壓支架移架對齊原理如圖1所示[1]。

圖1 液壓支架移架對齊原理示意圖

2 激光定位傳感器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高使用的可靠性，本文所提出的礦用激光對位傳感器采用了發(fā)射、接收一體化的布局結(jié)構(gòu)[2]，其所發(fā)射的激光定位光束為一個(gè)線形的光面，能夠保證液壓支架能夠在較寬的幅度上接收到激光束，并對液壓支架的調(diào)整提供指引。液壓支架在移架的過程中分為加速移動(dòng)、勻速移動(dòng)和減速移動(dòng)三個(gè)過程，為了提高液壓支架調(diào)整的精確性和調(diào)整效率，因此在加速移動(dòng)的階段進(jìn)行粗定位，在勻速階段進(jìn)行精定位，在減速過程中進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)液壓支架在調(diào)整過程中不會(huì)再增加額外的調(diào)整時(shí)間，提高系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

本文所提出的激光對位傳感器主要包括了電源模塊、通信模塊、激光發(fā)射及接收模塊、控制模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 激光對位傳感器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知，該電源模塊采用了LM25574開關(guān)電源[4]，具備7～41 V的大范圍電壓輸入，能夠?qū)⒉煌秶妮斎腚妷恨D(zhuǎn)換為3.3 V的電壓信號(hào)，供傳感器內(nèi)部的運(yùn)行電路使用。通信模塊采用了MAX3232通信芯片，其采用RS232高速數(shù)據(jù)接口，能夠保證數(shù)據(jù)在傳感器、控制器之間的快速、精確傳輸。控制模塊采用了高性能的CPU電路，其采用了擴(kuò)展內(nèi)核芯片為控制核心，利用數(shù)據(jù)接口和液壓支架的電液控制系統(tǒng)相連接，從而實(shí)現(xiàn)通過激光監(jiān)測數(shù)據(jù)對液壓支架位姿的調(diào)整。激光發(fā)射及接收模塊主要由2組光敏電阻模塊構(gòu)成接收部分，由繼電器和激光發(fā)射器構(gòu)成系統(tǒng)的激光發(fā)射模塊，激光發(fā)射部分輸出定能量的激光束，激光接收部分根據(jù)接收到的激光束的能量等級(jí)和偏斜角來判斷兩個(gè)液壓支架的偏位量，進(jìn)而輸出對液壓支架的調(diào)節(jié)值，保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精確性。

激光接收部分的布局結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 激光接收部分的布局結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，該激光接收部分分布著兩組光敏電阻接收器，共計(jì)42個(gè)，單個(gè)接收器的直徑約為8 mm，相鄰燈珠之間呈交錯(cuò)排列，最大限度提升對激光光束的接收能力。

3 激光定位傳感器軟件控制流程

該激光定位傳感器控制的核心是對激光光束能量和偏位量的精確分析，因此本文提出了一種新的激光傳感器軟件控制流程。系統(tǒng)首先獲取激光陣列傳感器上光敏電阻的電壓值，由應(yīng)用程序計(jì)算出每個(gè)光敏電阻的電阻，由于光敏電阻接收到的光照越強(qiáng)其對應(yīng)的電阻約小，不同的光照強(qiáng)度對應(yīng)了不同的電阻值，因此通過計(jì)算每個(gè)光敏電阻的電阻值即可快速的確認(rèn)所接收到的激光束的能量值[6]，根據(jù)光照在激光接收模塊上的分布情況即可快速確定液壓支架的偏位狀態(tài)和偏位量，激光傳感器軟件控制流程示意圖如圖4所示[7]。

圖4 激光傳感器控制流程示意圖

4 應(yīng)用情況分析

目前該礦井液壓支架激光定位傳感器已經(jīng)在多個(gè)煤礦投入應(yīng)用，對不同調(diào)整方案下的液壓支架調(diào)整情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，采用新的定位控制方案后，液壓支架的調(diào)整精度達(dá)到了±15 mm，遠(yuǎn)高于優(yōu)化前的±70 mm，而且從發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，到液壓支架狀態(tài)調(diào)整完成，支架的調(diào)整時(shí)間由最初的4.3 min降低到了目前的1.2 min，調(diào)整時(shí)間降低了72.1%，顯著提升了液壓支架的調(diào)整效率和精確性，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)煤礦投入應(yīng)用，取得了極好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）該激光定位移架控制系統(tǒng)和液壓支架的調(diào)整控制系統(tǒng)相連接，能夠通過對所接收到的激光束的強(qiáng)度和偏位量進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)換為位移調(diào)整信號(hào)傳遞給液壓支架的調(diào)整控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架位置的自動(dòng)調(diào)整；

2）激光對位傳感器主要包括電源模塊、通信模塊、激光發(fā)射及接收模塊、控制模塊四個(gè)部分，模塊化程度高；

3）通過分析不同光敏傳感器的電阻值，能快速確定液壓支架的偏位狀態(tài)和偏位量；

4）該液壓支架激光定位傳感器能夠?qū)⒁簤褐Ъ艿膶R精確度提升到±15 mm，將對齊調(diào)節(jié)時(shí)間降低72.1%。