掘錨機智能化綜合控制技術(shù)的研究

姜建紅

（華陽新材料科技集團有限公司五礦，山西 陽泉 045000）

引言

掘錨機是集井下巷道掘進和支護于一體的機械設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)在掘進后的自動錨桿支護，其工作穩(wěn)定性和可靠性就直接決定了井下巷道掘進的效率和安全性，但目前掘錨機自動化程度低，在使用過程中需要人工控制巷道掘進和錨桿支護位置，由于人工操作經(jīng)驗和井下作業(yè)環(huán)境的影響，實際控制過程中掘錨機的動作滯后性大，控制精度差，導(dǎo)致巷道掘進時的成型質(zhì)量差、支護效率低，難以滿足井下快速掘進作業(yè)的需求。因此，結(jié)合掘錨機工藝流程和掘進、支護作業(yè)需求，提出一種新的掘錨機智能控制系統(tǒng)并展開分析。

1 掘錨機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)掘錨機控制特性，該智能控制系統(tǒng)主要包括了本體電氣控制系統(tǒng)、掘進機智能截割控制子系統(tǒng)和錨桿電氣控制子系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

由圖1可知，該智能控制系統(tǒng)中，利用CAN串行總線將三個系統(tǒng)連接成一個串行的拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個分支線路上的數(shù)據(jù)通過“網(wǎng)橋”傳輸?shù)娇刂浦行?，同時為了滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸效率和穩(wěn)定性的需求，將遠距離信號的傳輸頻率設(shè)置為10 kbs。本體電氣控制系統(tǒng)主要用于對系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動電機的運行情況進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)娇刂浦行?，根?jù)掘錨機的運行狀態(tài)控制電機的啟動、停止，并進行動態(tài)監(jiān)測和保護。

掘進機智能截割控制子系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r對截割高度、截割轉(zhuǎn)速、截割載荷等進行監(jiān)控，將監(jiān)控結(jié)果傳輸給控制中心，控制中心依據(jù)當(dāng)前的截割狀態(tài)對掘進機截割作業(yè)情況進行調(diào)整，滿足安全、高效、精確的截割作業(yè)需求。

圖1 掘進機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

錨桿電氣控制子系統(tǒng)主要用于對錨桿機運行狀態(tài)的實時控制，該控制系統(tǒng)為單向控制，通過遙控器發(fā)出控制指令，系統(tǒng)接收到控制指令后將其傳輸?shù)藉^桿的主運動控制器內(nèi)，由主運動控制系統(tǒng)下達輔助控制指令，來控制錨桿的動作。

2 掘錨機智能化本體電氣控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)主要是利用EPEC控制器來對系統(tǒng)內(nèi)的5個電氣回路進行統(tǒng)一控制，其整體控制框架如圖2所示。在該控制系統(tǒng)中，主要是通過對KAX所示的繼電器和KMX所示的真空接觸器的控制來實現(xiàn)對整體回路的控制。在運行過程中系統(tǒng)量通過對隔離保護模塊的監(jiān)測，來確定電機是否能夠安全的啟動。系統(tǒng)內(nèi)的開關(guān)量采集系統(tǒng)對各個開關(guān)量信號進行采集并通過數(shù)據(jù)總線傳遞到EPEC控制器內(nèi)，結(jié)合各個回路內(nèi)電壓、電流傳感器傳輸?shù)目刂菩盘?，來實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和智能保護，滿足掘錨機整體協(xié)調(diào)運行安全性的需求。根據(jù)實際應(yīng)用表明，該電氣控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精確性好的優(yōu)點，能夠顯著提升掘進機運行時的穩(wěn)定性和靈敏性，在集中控制作用下的反應(yīng)速度比優(yōu)化前提升了89.6%，顯著提升了井下掘錨機的工作效率。

圖2 本體電氣控制系統(tǒng)示意圖

3 掘進機智能截割控制子系統(tǒng)

掘進機智能截割控制系統(tǒng)主要用于對掘進機運行狀態(tài)的智能監(jiān)測，這些監(jiān)測主要是通過分布在掘進機上的各類傳感器設(shè)備進行的，該智能截割控制子系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。

圖3 智能截割控制子系統(tǒng)

在運行控制過程中，系統(tǒng)通過位于截割滾筒內(nèi)的脈沖傳感器來對截割機構(gòu)的坐標位置進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)換為弱電流控制信號來傳輸?shù)娇刂浦行模?jīng)過邏輯數(shù)據(jù)修正后來確定最終的截割坐標位置。通過角度傳感器來監(jiān)測掘進機截割臂的傾角和鏟板的傾角，通過編碼器來對截割過程中的截割臂旋轉(zhuǎn)角度進行測量，將數(shù)據(jù)測量結(jié)果同樣以電信號的形式傳遞給控制中心，同時接受控制中心下達的各類指令，控制相應(yīng)的機構(gòu)按指令來完成調(diào)整控制[3]。系統(tǒng)具有閉環(huán)調(diào)節(jié)控制功能，能夠?qū)φ{(diào)整后的狀態(tài)進行不斷修正，使其最大限度地滿足調(diào)整精確性的需求，根據(jù)實際驗證采用該閉環(huán)截割控制系統(tǒng)后，能將截割作業(yè)時的調(diào)整精度由±55 mm降低到目前的±4.4 mm，調(diào)整控制精度比優(yōu)化前提升了92%，極大地確保了截割作業(yè)的精確性。

4 錨桿電氣控制子系統(tǒng)

錨桿電氣控制系統(tǒng)主要是對錨桿支護進行遠程控制，為了降低調(diào)整難度提升支護可靠性，系統(tǒng)采用了遠程開環(huán)控制模式，所有的控制信號通過遙控器發(fā)出，接收到信號后傳遞到CAN數(shù)據(jù)總線上，控制邏輯簡單、可靠性好，該錨桿電氣控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

圖4 錨桿電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該系統(tǒng)中，遙控接收裝置設(shè)置在機體控制柜上，接收裝置和主運動控制器、輔助運動控制器間通過CAN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行連接，控制指令傳輸?shù)街鬟\動控制器后進行分析，對指令進行分解后傳遞給輔助運動控制器，控制各執(zhí)行機構(gòu)的運動，滿足支護作業(yè)過程中支護靈活性和穩(wěn)定性的需求。

5 結(jié)論

1）該智能控制系統(tǒng)主要包括本體電氣控制系統(tǒng)、掘進機智能截割控制子系統(tǒng)和錨桿電氣控制子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，模塊化程度高，擴展性好；

2）在本體電氣控制系統(tǒng)中，利用EPEC控制器來對系統(tǒng)內(nèi)的5個電氣回路進行統(tǒng)一控制，系統(tǒng)的反應(yīng)速度比優(yōu)化前提升了89.6%；

3）掘進機智能截割控制系統(tǒng)作用下，掘錨機的調(diào)整控制精度比優(yōu)化前提升了92%，極大地確保了截割作業(yè)的精確性；

4）錨桿電氣控制系統(tǒng)控制邏輯簡單、可靠性好，能夠滿足滿足支護作業(yè)過程中支護靈活性和穩(wěn)定性的需求。