邢躍斌
(山西古交西山義城煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 古交 030203)
煤礦井下綜掘工作面用掘進(jìn)機(jī)具有采掘效率高、靈活性強(qiáng)、巷道斷面可控的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。為保證掘進(jìn)機(jī)安全生產(chǎn),達(dá)到減員增效的目的,國內(nèi)外科研院所對掘進(jìn)機(jī)截割部自動(dòng)控制系統(tǒng)展開一系列的研究,如德國艾柯夫公司設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)截割自動(dòng)控制系統(tǒng),將截割頭軌跡的控制精度精確至50 mm以內(nèi),最大定向距離可達(dá)400 m;英國ZED儀器公司設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位截割頭三維位置信息,極大提高了巷道斷面成形質(zhì)量;日本三井三池公司設(shè)計(jì)的能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)截割功率的智能截割控制系統(tǒng),在提高截割效率的同時(shí)極大降低了截割能耗[1-3]。國內(nèi)的石家莊煤機(jī)、三一重工、中國煤科等單位也相繼對掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割、截割路徑規(guī)劃、自適應(yīng)截割等問題進(jìn)行了深入的研究和探討,并在開灤錢家營礦、大同塔山礦等開展工業(yè)性試驗(yàn),取得了較好的試驗(yàn)效果[4-5]。本文基于實(shí)時(shí)控制器,設(shè)計(jì)一種掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng),對掘進(jìn)機(jī)截割部液壓油缸進(jìn)行精確電液伺服控制,改善巷道成形質(zhì)量,提高截割工作效率。
掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)由截割臂調(diào)高液壓油缸、回轉(zhuǎn)臺伸縮液壓油缸分別完成截割頭的垂直、水平控制。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制,在掘進(jìn)機(jī)液壓油缸、機(jī)身安裝傳感器裝置、配套的數(shù)據(jù)采集裝置、上位機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)截割控制系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)控制器,直接驅(qū)動(dòng)截割臂調(diào)高液壓電液伺服閥、回轉(zhuǎn)臺伸縮液壓電液伺服閥工作。掘進(jìn)機(jī)截割部自動(dòng)截割控制系統(tǒng)框圖見圖1所示。安裝的兩通道距離傳感器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)高液壓油缸以及回轉(zhuǎn)臺液壓油缸行進(jìn)距離。數(shù)據(jù)采集卡將獲取的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后周期性地傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程、轉(zhuǎn)換并下載至實(shí)時(shí)控制器的現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)控制器中,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后將驅(qū)動(dòng)電壓信號直接作用于電液伺服閥,實(shí)現(xiàn)對截割臂精確調(diào)高控制、對回轉(zhuǎn)臺精確伸縮控制,從而控制掘進(jìn)機(jī)截割頭的準(zhǔn)確位置,最終實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制[6]。圖1中的智能經(jīng)緯儀用于實(shí)時(shí)檢測截割頭的空間位置變化,并將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)。
圖1 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)架構(gòu)
掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)硬件部分由傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、實(shí)時(shí)控制單元以及液壓控制單元四部分組成,核心硬件主要包括距離傳感器、實(shí)時(shí)控制器及其I/O擴(kuò)展、數(shù)據(jù)采集卡、智能經(jīng)緯儀以及電壓伺服閥等。
傳感器單元:掘進(jìn)機(jī)截割臂調(diào)高距離范圍為1 097.1~1 749.0 mm,回轉(zhuǎn)臺伸縮距離范圍為1 521.5~2 280.9 mm,選用HD-DS200CM紅外測距傳感器,輸出信號為0~5 V的電壓信號,測量范圍為1 000~3 000 mm,靈敏度為0.002 5 V/mm。智能經(jīng)緯儀的激光接收裝置的安裝電位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中軸線對稱位置,成等邊三角形分布;在智能經(jīng)緯儀的后方指定距離安裝檢測裝置,測量的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的姿態(tài)參數(shù)為(θx,θy,θz,x,y,z),該六個(gè)掘進(jìn)機(jī)截割頭空間參數(shù)實(shí)時(shí)變化[7],以六路電壓信號傳送給數(shù)據(jù)采集卡。
數(shù)據(jù)采集單元:經(jīng)分析,掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有測距傳感器信號4路、經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)信號6路,共10路數(shù)據(jù),即數(shù)據(jù)采集卡的輸入數(shù)據(jù)通道需大于等于10,且輸入信號支持0~5 V的電壓信號。為滿足截割臂、回轉(zhuǎn)臺距離測量精度,選用16位模擬量輸入數(shù)據(jù)采集卡。選用的數(shù)據(jù)采集卡型號為PCI-1742,該采集卡的輸入通道為16,輸入信號為電壓信號且范圍為-10~10 V,采樣頻率為0~1 MHz,分辨率為16位。
實(shí)時(shí)控制單元:實(shí)時(shí)控制器選用的型號為CRIO-9025,該控制器能夠正確執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)程序,并完成程序跟蹤、數(shù)據(jù)存儲以及設(shè)備間通信等功能[8-9]。輸出模塊選用的型號為支持8通道輸出信號的NI-9485I/O模塊,可直接控制電液伺服閥;NI-9802輸出模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲功能。
液壓控制單元:由電液伺服閥、液壓油缸、溢流閥以及油泵等組成,其中電液伺服閥直接完成對液壓油缸的控制[10]。電液伺服閥能夠?qū)⑽⑿‰娏餍盘栟D(zhuǎn)換為液壓流量、液壓壓力信號并卻動(dòng)液壓油缸動(dòng)作,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。
掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于CRIO-9025實(shí)時(shí)控制器以及上位機(jī)實(shí)現(xiàn),根據(jù)系統(tǒng)功能可將軟件部分進(jìn)行模塊劃分,詳見圖2所示。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)要求,將軟件部分劃分為系統(tǒng)登錄管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、映射節(jié)點(diǎn)分析模塊、輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、信息監(jiān)控模塊以及基本動(dòng)作控股之模塊8部分。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)經(jīng)系統(tǒng)登錄管理模塊登錄至軟件系統(tǒng),可完成對掘進(jìn)機(jī)的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并與映射系統(tǒng)分析模塊中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,將分析結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,變更成輸出驅(qū)動(dòng)模塊可接收并可直接作用于電液伺服閥的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),由實(shí)時(shí)控制器處理后完成對掘進(jìn)機(jī)截割臂、回轉(zhuǎn)天液壓油缸的精確控制[11]。信息監(jiān)控模塊同時(shí)接收數(shù)據(jù)采集模塊、輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊以及映射節(jié)點(diǎn)分析模塊數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示?;緞?dòng)作控制模塊與輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊共享數(shù)據(jù),但其優(yōu)先級相對較高,輸出驅(qū)動(dòng)模塊優(yōu)先接收并處理基本動(dòng)作控制模塊數(shù)據(jù),如對截割頭的回零、掃底、刷幫控制等。
圖2 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)軟件模塊劃分
掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程見圖3所示,控制系統(tǒng)上電并完成初始化后,控制截割頭至初始位置,或檢測該截割頭的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo),執(zhí)行對應(yīng)的指定程序??蓤?zhí)行的指定程序有截割部開始、回零、掃底、截割、刷幫、實(shí)時(shí)控制以及停止。
圖3 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)軟件流程
設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)方案實(shí)際應(yīng)用于EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī),并完成工業(yè)試驗(yàn)。在上位機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置超挖、欠挖報(bào)警極限值,以便滿足該巷道的截割作業(yè)軌跡要求。掘進(jìn)機(jī)實(shí)際截割過程中,在某一時(shí)刻截割臂俯仰角為-0.087°,實(shí)際俯仰角為-0.085°,偏差約為3.1%;機(jī)身橫滾角監(jiān)測值為0.043°,實(shí)際機(jī)身橫滾角為0.042°,偏差為2.3%。即該控制系統(tǒng)的控制精度較高,巷道成形較好。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割過程時(shí),故障發(fā)生率較低,提高了掘進(jìn)工作效率。