智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)研究及應(yīng)用分析

常德志

（鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

隨著煤礦開采的深入進(jìn)行，其開采困難和危險(xiǎn)系數(shù)逐步增加，越來越受到突水、瓦斯、埋深等因素的制約。在開采煤礦時(shí)，掘進(jìn)工作面受到更大的威脅，掘進(jìn)工作面工人長(zhǎng)時(shí)間處在高濃度粉塵、高濕度和溫度條件的影響，其身體健康較易受到威脅。掘進(jìn)工作面都是獨(dú)頭進(jìn)行施工，巷道突水、頂板冒落、瓦斯爆炸等嚴(yán)重威脅煤礦工人的生命安全。根據(jù)我國(guó)煤礦巷道掘進(jìn)的特色，務(wù)必實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)技術(shù)和裝備的創(chuàng)新，提升快捷化、智能化、并行化、成套化、柔性化水平，保障其穩(wěn)定性和適應(yīng)性。當(dāng)今，絕大部分掘進(jìn)巷道都在施工中應(yīng)用分離作業(yè)的形式，在沒有大面積推廣成套的掘進(jìn)、輸送、支護(hù)設(shè)備之前，智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的分析對(duì)工人勞動(dòng)負(fù)荷的減輕、掘進(jìn)工作面作業(yè)能力的提升有著非常重大的現(xiàn)實(shí)作用。

1 智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的作用

1.1 可以遠(yuǎn)程監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)及其設(shè)備的運(yùn)行情況

結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的一系列參數(shù)信息、后配套出料和星輪收料狀態(tài)、整機(jī)和截割頭部位、監(jiān)控工作面情況等，其可以呈現(xiàn)非常豐富的內(nèi)容，方便維護(hù)與檢修。并且，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存技術(shù)的應(yīng)用可以儲(chǔ)存與分析一系列數(shù)據(jù)信息，以及生成曲線，這非常方便查詢數(shù)據(jù)和記錄歷史故障，如果設(shè)備存在故障問題，那么能夠?qū)崟r(shí)判斷故障代碼以及實(shí)施處理對(duì)策。

1.2 可以自動(dòng)控制遠(yuǎn)程截割過程

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)油缸傳感器以及電控系統(tǒng)可以對(duì)截割臂的工作參數(shù)進(jìn)行采集，以及對(duì)一系列動(dòng)作油缸的工作行程進(jìn)行記錄，讓通過數(shù)據(jù)交換箱向工控機(jī)輸送，在對(duì)截割軌跡圖進(jìn)行繪制，結(jié)合遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控分站讓操作者熟悉現(xiàn)場(chǎng)情況。此外，其還有記憶巷道斷面截割軌跡的作用，從而可以自動(dòng)控制遠(yuǎn)程截割過程。

1.3 可以在線監(jiān)測(cè)截割軌跡

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及在線實(shí)時(shí)監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)的截割軌跡，截割路線能夠與激光定位儀協(xié)調(diào)配合運(yùn)行。結(jié)合對(duì)掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)的調(diào)整，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)線路進(jìn)行截割，確保一次成型的工作面質(zhì)量提升，以及很好地防范截割面的超挖以及欠挖情況，因此具備良好的巷道成型特點(diǎn)，并且大大提升了截割效率。相反，如果僅僅以人工方式進(jìn)行截割，因?yàn)槭艿讲僮髡吣芰σ约耙暰€因素的影響，操作者難以對(duì)截割量進(jìn)行有效控制。

2 智能化掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)和智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)要求

國(guó)內(nèi)煤礦智能化掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展存在以下不足：（1）掘進(jìn)工程具備復(fù)雜的開展條件。掘進(jìn)工作質(zhì)量的主要影響因素是掘進(jìn)環(huán)境，國(guó)內(nèi)煤層賦存具備非常復(fù)雜的狀況，因此掘進(jìn)工作環(huán)境的特點(diǎn)是機(jī)械化生產(chǎn)困難、圍巖控制難度大、安全系數(shù)低等。地質(zhì)狀況的復(fù)雜化導(dǎo)致智能化掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)性和不確定性增加，設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。（2）復(fù)雜的施工流程不利于掘進(jìn)效率的提升。以智能化掘進(jìn)視角而言，固有的煤礦巷道掘進(jìn)具備太多的流程，很多串行工作流程不但使大部分成巷時(shí)間和用工數(shù)量占據(jù)，而且減慢了施工進(jìn)度，從而不利于智能化掘進(jìn)技術(shù)的順利應(yīng)用。

2.1 智能化掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

結(jié)合煤礦生產(chǎn)工作流程以及地質(zhì)狀況，智能化掘進(jìn)機(jī)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)務(wù)必達(dá)到智能化標(biāo)準(zhǔn)，可以顯示數(shù)據(jù)以及進(jìn)行智能化控制，進(jìn)而可以監(jiān)測(cè)與記錄煤礦生產(chǎn)工作面的流程以及具體運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，首先應(yīng)分析掘進(jìn)機(jī)截割的過程，然后建構(gòu)作業(yè)單位參數(shù)和斷面數(shù)據(jù)尺寸間的數(shù)字化模型，以及對(duì)截切頭坐標(biāo)、液壓缸部位、懸臂運(yùn)行轉(zhuǎn)角部位的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算。控制軟件有效體現(xiàn)截割范圍，且將有關(guān)視頻和數(shù)據(jù)信息（運(yùn)行以及截切信息等）傳輸給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這樣能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)截切自動(dòng)化成型的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)地質(zhì)條件狀況在設(shè)備中應(yīng)用智能化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間和人力的節(jié)省。為了確保系統(tǒng)到達(dá)適宜的軌道，能夠以可視化智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間縮短，以使能耗減少。在進(jìn)行對(duì)比后，我們可以應(yīng)用變頻技術(shù)和防爆三相電機(jī)技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)AVP對(duì)截切的整個(gè)流程進(jìn)行控制，且結(jié)合程序VB6.0呈現(xiàn)在界面。

2.2 智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)要求

掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成部分是PLC、顯示部分、回路保護(hù)部分、電機(jī)等。此系統(tǒng)應(yīng)用交流供電電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和啟停運(yùn)行，能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行很好的保護(hù)。掘進(jìn)機(jī)在生產(chǎn)操作（運(yùn)行、轉(zhuǎn)載、截割等）過程中都少不了電機(jī)的支持，此電機(jī)能夠真正實(shí)現(xiàn)工作需要。通常能夠劃分掘進(jìn)機(jī)操作為三個(gè)階段：一是準(zhǔn)備階段，即清楚場(chǎng)地不相關(guān)的人員。二是啟動(dòng)階段，即啟動(dòng)電機(jī)后，油泵恒定電壓發(fā)出預(yù)警，從而進(jìn)行自動(dòng)切割，這時(shí)磁閥被啟動(dòng)。三是低速啟動(dòng)以及高速切割階段，掘進(jìn)機(jī)控制軟件系統(tǒng)的功能是檢測(cè)漏電以及實(shí)現(xiàn)保護(hù)，其中，檢測(cè)漏電功能即檢測(cè)電機(jī)截割和油泵的漏電信息，如果形成漏電，那么報(bào)警會(huì)引發(fā)，而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能即避免一系列電機(jī)存儲(chǔ)超載、超溫、過流的現(xiàn)象。急停按鈕設(shè)計(jì)在此系統(tǒng)上，保障出現(xiàn)意外的情況下，能夠迅速暫停運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)目標(biāo)。

3 智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成部分是開關(guān)、按鈕、報(bào)警使用的光和聲音報(bào)警、一系列功能的信號(hào)燈等，因?yàn)榭刂破鳎ㄎ鏖T子CPU226）可以拓展一系列功能，非常方便和靈活，可以實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)控制的要求。因此，控制器的控制核心應(yīng)用西門子PLCS7-200的CPU226。并且，拓展了CPU226的功能，即設(shè)置了模擬和數(shù)字模塊，各自是西門子Em222與Em231。西門子S7-200連接HMI觸摸屏和上位機(jī)電腦，進(jìn)而使人機(jī)交互的理想應(yīng)用效果實(shí)現(xiàn)，其不但使操作者的操作困難減小，而且HMI觸摸屏可以對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)進(jìn)行具體和直觀的反饋，可以進(jìn)行尤為直觀的控制。系統(tǒng)安全監(jiān)控可以判斷場(chǎng)地采集的數(shù)據(jù)信息，在發(fā)生危險(xiǎn)或故障的情況下，實(shí)時(shí)將報(bào)警發(fā)出，操作者能夠結(jié)合報(bào)警采集的信息對(duì)故障性質(zhì)和位置做出準(zhǔn)確的判斷，從而方便維修工作者實(shí)時(shí)維修故障，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行效率的顯著提升。

（2）程序控制設(shè)計(jì)。對(duì)于PLC程序控制的設(shè)計(jì)而言，其實(shí)際上是智能化改裝掘進(jìn)機(jī)，其工作流程是：先是做好掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行前的準(zhǔn)備，即檢查有關(guān)元件和進(jìn)行系統(tǒng)自檢，明確故障問題是否存在，如果故障存在于系統(tǒng)元件上，那么故障報(bào)警會(huì)被系統(tǒng)發(fā)出，以警示相關(guān)操作者解決故障問題。在自檢都正常的條件下，控制人員對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，這種情況下掘進(jìn)機(jī)開始準(zhǔn)備運(yùn)行。如果油泵電機(jī)被啟動(dòng)，那么掘進(jìn)機(jī)開展液壓油升壓的工作，在系統(tǒng)具備穩(wěn)定液壓之后才可以開展接下來的工作，掘進(jìn)機(jī)在5s后進(jìn)行低速切割，然后再經(jīng)過5s后進(jìn)行高速切割。

（3）安全性以及抗干擾設(shè)計(jì)。因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)具備十分復(fù)雜的施工環(huán)境條件，提升掘進(jìn)機(jī)的安全和抗干擾設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。在掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中，掘進(jìn)機(jī)電控柜中安裝了電器元件、PLC、開關(guān)、顯示器等，因此，電控柜的設(shè)計(jì)不但應(yīng)實(shí)現(xiàn)尺寸標(biāo)準(zhǔn)，而且應(yīng)具備安全的結(jié)構(gòu)，以及務(wù)必具備相應(yīng)的防爆和隔爆性能。此外，電控柜的設(shè)計(jì)應(yīng)確保開門的情況下電路斷電的安全性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要安裝開門傳感器，即在開門前因?yàn)槠渌蛩囟丛鴮⒖刂乒耠娫磾嚅_的情況下，當(dāng)控制柜門關(guān)閉的情況下可以自動(dòng)跟電源接通、在控制規(guī)模打開的情況下自動(dòng)和電源斷開，這樣可以確保操作者的人身安全。與此同時(shí)，需要將防震裝備設(shè)計(jì)在控制柜上，保障系統(tǒng)不會(huì)由于振動(dòng)而導(dǎo)致誤操作。為了保障掘進(jìn)機(jī)的工時(shí)不受到影響，不但要進(jìn)行防震隔爆的電控柜設(shè)計(jì)，而且應(yīng)確保選擇的PLC程序控制器具備相應(yīng)的抗電磁效果，具體來講，其需要做到：PLC程序控制器設(shè)計(jì)的供電電源務(wù)必是獨(dú)立的；PLC程序控制器的信號(hào)傳輸線路不可與動(dòng)力電源線路共同排列，避免信號(hào)參數(shù)受到交流頻率的制約；務(wù)必在金屬控制柜中安裝PLC硬件控制設(shè)施，如此能夠?qū)刂乒裰獾碾姶判盘?hào)進(jìn)行有效屏蔽。

3.2 控制系統(tǒng)的維護(hù)

（1）電纜和元件維護(hù)。在煤礦復(fù)雜多變的環(huán)境條件下，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的電纜、電線、設(shè)施、元件等較易被破壞或老化變形，因此務(wù)必注重控制系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)。具體來講，應(yīng)做到下面幾點(diǎn)：一是對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣控制單元進(jìn)行檢查，先是對(duì)控制系統(tǒng)的接線、主接觸器、熔斷器等是否正常運(yùn)行進(jìn)行檢查，以及對(duì)報(bào)警器、控制系統(tǒng)的一系列功能等是否正常運(yùn)行進(jìn)行檢查，最后對(duì)控制系統(tǒng)的緊急暫停開關(guān)是否正常運(yùn)行進(jìn)行檢查。二是對(duì)電纜的狀態(tài)進(jìn)行檢查，可以測(cè)試電纜，判斷電纜技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否符合實(shí)際工作需要，判斷滴水或漏水的情況是否存在于電纜工作場(chǎng)地，以及檢查電纜防護(hù)鎧甲是否可以承受相應(yīng)的沖擊、電纜是否因?yàn)楦皖惤佑|而老化、電纜外防護(hù)是否長(zhǎng)期運(yùn)行被損壞。

（2）電機(jī)維護(hù)。掘進(jìn)機(jī)可以順利運(yùn)行的基礎(chǔ)在于掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的電機(jī)，因此，應(yīng)定期維護(hù)和保養(yǎng)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)。具體來講，如下所述：一是對(duì)電機(jī)運(yùn)行溫度和電壓值是否在要求的數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行定期檢查；二是對(duì)電機(jī)的絕緣性能和連接電機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性進(jìn)行定期檢查，并且定期潤(rùn)滑主軸軸承。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 實(shí)現(xiàn)了理想的經(jīng)濟(jì)效益

（1）實(shí)現(xiàn)了單進(jìn)能力的提升和掘進(jìn)工期的縮短。智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在礦井的應(yīng)用，不但提升了單進(jìn)水平，而且使工作面準(zhǔn)備工期縮短，贏得了治理工作面災(zāi)害的珍貴時(shí)間，以及實(shí)現(xiàn)了工作面回采工作災(zāi)害抵抗能力的顯著提升。在縮短掘進(jìn)工期的基礎(chǔ)上，可以確保工作面事先步入采掘接替單元，從而使接替緊張的局面得以很好地緩解，最終確保年度生產(chǎn)任務(wù)的有序和安全進(jìn)行。

（2）實(shí)現(xiàn)了勞動(dòng)效率的提升。在應(yīng)用智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)后，勞動(dòng)效率大大提升，讓礦井在完成相同生產(chǎn)任務(wù)的情況下顯著減少了人力成本支出，從而有助于煤礦經(jīng)濟(jì)效益的增加。

4.2 實(shí)現(xiàn)了理想的社會(huì)效益

在建設(shè)智能化掘進(jìn)工作面后，礦井與社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)和方向相適應(yīng)，在當(dāng)今嚴(yán)峻的發(fā)展形勢(shì)下，職工心中的民心工程被成功打造，煤礦工人的工作負(fù)荷減輕、幸福滿意度提升，這奠定了建設(shè)無人化、自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)工作面的良好基礎(chǔ)，完善了發(fā)展的缺陷，有助于煤礦智能化掘進(jìn)技術(shù)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型發(fā)展。

4.3 實(shí)現(xiàn)了理想的安全效益

在風(fēng)門外的新鮮空氣中設(shè)置遠(yuǎn)程遙控操作硐室，人員可以遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，以使截割的自主化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)者勿需接觸工作面產(chǎn)塵，這非常有利于煤礦工人的身體健康。建設(shè)智能化掘進(jìn)工作面支護(hù)可以使“智能化減人、自動(dòng)化少人、機(jī)械化換人”的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，操作者結(jié)合集控中心的操作能夠使無人或少人的工作目的實(shí)現(xiàn)，確保了員工的健康和安全，能夠很好地防范煤礦瓦斯隱患導(dǎo)致的人身傷害事故，從而真正滲透了以人為核心的安全發(fā)展觀。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)智能化掘進(jìn)裝備技術(shù)的研究，有效促進(jìn)了煤礦生產(chǎn)，提高了作業(yè)效率，創(chuàng)造的效益非?？捎^。煤礦智能化掘進(jìn)工作面裝備技術(shù)的智能化、集成化、系統(tǒng)化、無人化是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)于煤炭行業(yè)的機(jī)電人員都具有學(xué)習(xí)、借鑒和應(yīng)用的作用。