智能化掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

陜建光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大西煤礦，山西 晉城 048000）

0 引言

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)著主要地位，其短時(shí)間內(nèi)難以被其他能源大規(guī)模的替代，在今后的較長時(shí)間內(nèi)煤炭仍作為我國的工業(yè)生產(chǎn)動能和人民生活用電的主要來源。因此煤炭的開采仍需要不斷地進(jìn)行加強(qiáng)。煤礦作為煤炭開采的主要單位，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦正朝著智能化、自動化的方向發(fā)展，在煤礦開采的過程中掘進(jìn)作為煤礦巷道開采的一項(xiàng)重要工作，傳統(tǒng)的煤礦巷道掘進(jìn)需要人工進(jìn)行現(xiàn)場勘察和實(shí)時(shí)監(jiān)測，巷道開采質(zhì)量受到人為的因素比較大，并且人工監(jiān)測的過程中危險(xiǎn)系數(shù)比較大、工作量也比較大，因此需要加強(qiáng)對煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步研究。目前煤礦巷道掘進(jìn)大多數(shù)采用的是懸臂式掘進(jìn)機(jī)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)相對于人工來說在技術(shù)和效率方面得到了很大的提升，但是在安全性和可靠性方面仍存在著一定的欠缺，需要對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的深化研究，尤其是掘進(jìn)機(jī)智能控制方面需要加強(qiáng)，以提高掘進(jìn)機(jī)的智能化程度，提高綜采工作面的開采效率，增強(qiáng)其安全性，降低人工勞動成本，促進(jìn)智慧礦山的建設(shè)[1]。

1 掘進(jìn)機(jī)概述

目前我國使用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)比較多，其實(shí)現(xiàn)了截割、行走、裝載運(yùn)輸、除塵等多功能于一體的大型自動化設(shè)備。懸臂式掘進(jìn)機(jī)綜合了電氣、機(jī)械、自動化以及智能化的多項(xiàng)技術(shù)，徹底改變了爆破式掘進(jìn)危險(xiǎn)系數(shù)高的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，懸臂式掘進(jìn)機(jī)由原先的工作人員手動操作變成了自動化操作，大大減少了煤礦井下工作人員的數(shù)量，提高了掘進(jìn)效率。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其主要由截割系統(tǒng)、鏟板系統(tǒng)、行走部分、機(jī)架以及電氣部分組成的。截割部分是掘進(jìn)機(jī)的主要工作部件，截割頭是掘進(jìn)機(jī)的工作裝置，掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械部分將動力傳遞到截割頭部位，截割頭的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)了對巷道的掘進(jìn)工作。行走部分是完成掘進(jìn)機(jī)的位置移動功能。裝載運(yùn)輸部分是將截割頭截割下的物料進(jìn)行裝載，利用后續(xù)的刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)以及帶式輸送機(jī)將物料運(yùn)輸至井上。除塵功能是為了改善掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下掘進(jìn)過程中惡劣的工作環(huán)境，降低掘進(jìn)造成的揚(yáng)塵，保障工作環(huán)境的安全[2]。

2 智能化掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中其需要人工進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施監(jiān)控，增加了作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，因此需要對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行智能化改造。智能化掘進(jìn)機(jī)在功能方面需要具備有以下功能：

1）安全啟動操作要求。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)接受到來自遙控器或者是本安操作盒的啟動指令時(shí)，其需要執(zhí)啟動操作，但是其應(yīng)具備有閉鎖功能：油泵電機(jī)必須作為第一啟動作業(yè)；截割頭的高速和低速能夠?qū)崿F(xiàn)互鎖保護(hù)，兩者的接觸器不能同時(shí)閉合。

2）狀態(tài)監(jiān)測及保護(hù)。掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，其電氣系統(tǒng)需要運(yùn)行電壓、溫度、瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且需要具備有報(bào)警功能。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定參數(shù)不同時(shí)，報(bào)警裝置能夠及時(shí)的進(jìn)行警示且自動切斷電源，將故障原因進(jìn)行顯示。

3）可視化顯示及遠(yuǎn)程通信功能。智能化掘進(jìn)機(jī)的各個模塊的參數(shù)以及監(jiān)測到的參數(shù)要在相關(guān)信息界面進(jìn)行顯示，煤礦工作人員能夠及時(shí)的在界面上看到其運(yùn)行狀態(tài)信息，及時(shí)作為響應(yīng)。遠(yuǎn)程通信是智能化掘進(jìn)機(jī)監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)要利用光纖等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相應(yīng)平臺，實(shí)現(xiàn)信息交互。

3 智能化掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能化掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對其主回路硬件、傳感器硬件、控制模塊以及遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 主回路硬件選型及設(shè)計(jì)

智能掘進(jìn)機(jī)主回路需要控制的有截割電機(jī)、油泵電機(jī)、二運(yùn)電機(jī)以及除塵電機(jī)。智能掘進(jìn)機(jī)需要對這四種電機(jī)進(jìn)行配電和保護(hù)。在其主回路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)有隔離開關(guān)1 個，交流真空接觸器5 個，控制變壓器1個以及五路三相電流互感器等。隔離開關(guān)完成切電源的工作，交流真空接觸器用來實(shí)現(xiàn)四種電機(jī)的啟停[3]。由于煤礦井下有1140 V 和660 V 兩種電壓值，因此控制變壓器需要滿足兩種電壓的屬兔，利用其二次側(cè)的AC220 作為控制回路以及其他模塊的電源供應(yīng)。三相電流互感器是為了對智能掘進(jìn)機(jī)的四種電機(jī)的運(yùn)行電流進(jìn)行監(jiān)測，保證其電機(jī)的運(yùn)行安全。智能掘進(jìn)機(jī)的油泵電機(jī)的主回路如圖2 所示。選型時(shí)隔離開關(guān)選用OT400E12 型號；交流真空接觸器采用CKJ11 系列，電流變送器選用CS50 系列。

3.2 傳感器硬件選型

智能掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中需要傳感器對其狀態(tài)和周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，這就需要傳感器來實(shí)現(xiàn)其過程。智能掘進(jìn)機(jī)傳感器部分主要有位姿傳感器、溫度傳感器、油缸行程傳感器以及壓力傳感器等多傳感器于一身。智能掘進(jìn)機(jī)位姿傳感器選用的是GUD90-CAN 動靜態(tài)雙模傾角傳感器，油缸行程傳感器采用的是GUC2500 型號，溫度傳感器采用的是GWD200B 型號，壓力傳感器采用的是GPD60 本質(zhì)安全型。

3.3 控制模塊的選型與設(shè)計(jì)

控制模塊作為智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的核心部分，其主要由控制器、遙控模塊、CAN 通信模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等組成，各個模塊之間利用CAN 進(jìn)行通信以及數(shù)據(jù)交換，控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制模塊結(jié)構(gòu)組成

4 智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)測試

4.1 智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的軟件部分主要分為兩部分，一部分是主程序部分，主程序是為了實(shí)現(xiàn)智能掘進(jìn)機(jī)整個作業(yè)流程的正常開展；另一部分是子程序部分，子程序部分包括安全啟停、狀態(tài)監(jiān)測及保護(hù)、主機(jī)的行走、截割作業(yè)以及數(shù)據(jù)信息的顯示等。

智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的主程序流程如圖4 所示。

圖4 智能掘進(jìn)機(jī)電控流程

4.2 實(shí)驗(yàn)測試

為了保證智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的安全性和可靠性，對智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了截割試驗(yàn)、通信實(shí)驗(yàn)。截割試驗(yàn)利用六點(diǎn)試驗(yàn)法對截割點(diǎn)的位置信息進(jìn)行分析，截割試驗(yàn)從距離斷面底部（-1500，400）的位置朝著右側(cè)方向進(jìn)行運(yùn)動，行走3000 mm 后在（1500，400）處朝著上方進(jìn)行截割，當(dāng)達(dá)到（1500，800）再朝著左側(cè)進(jìn)行截割的動作形式，將上述動作重復(fù)3 遍后，監(jiān)測其截割臂的誤差距離，最終截割臂運(yùn)動距離如表1 所示。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)在橫向距離的最大誤差為3.7 cm，縱向距離的最大誤差為1.5 cm，均符合掘進(jìn)機(jī)作業(yè)控制要求。

表1 截割臂運(yùn)動距離誤差 單位：mm

5 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦巷道掘進(jìn)的主要設(shè)備，其電控系統(tǒng)直接影響著掘進(jìn)機(jī)的工作效率，因此對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行智能化改造勢在必行。以智能掘進(jìn)機(jī)電控部分的總體功能要求為基礎(chǔ)，對智能掘進(jìn)機(jī)的主回路、傳感器以及控制模塊進(jìn)行選型，對智能掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后利用截割試驗(yàn)和通信實(shí)驗(yàn)對智能掘進(jìn)機(jī)的橫縱向誤差和通信實(shí)際效果進(jìn)行監(jiān)測，均達(dá)到了智能掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)要求，促進(jìn)了智能掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，提高了掘進(jìn)機(jī)的智能化程度，實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了煤炭開采的安全性，更加促進(jìn)了煤礦的智能化建設(shè)。