懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用*

吳 東

(山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 太原 030200)

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下重要的綜合掘進(jìn)設(shè)備，在煤礦綜掘工作面得到了廣泛使用。我國煤礦井下綜掘率僅為48.12%，除井下水害、瓦斯、粉塵、巷道自然條件等因素制約外，掘進(jìn)機(jī)自動截割技術(shù)成為影響礦井綜掘率的關(guān)鍵因素。目前，掘進(jìn)機(jī)仍需配備掘進(jìn)機(jī)司機(jī)人工操作而完成巷道掘進(jìn)任務(wù)，巷道成型不規(guī)則、掘進(jìn)路線嚴(yán)重偏差、超挖/欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，成為制約綜掘工作面生產(chǎn)效率低下的原因之一[1]。為解決智能化煤礦開采中遇到的“采掘失衡、掘進(jìn)滯后”的問題，提升綜掘工作面生產(chǎn)效率，國內(nèi)外專家學(xué)者對掘進(jìn)機(jī)智能化、自動截割技術(shù)展開一系列的研究，如文獻(xiàn)[2]建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)身及截割頭數(shù)學(xué)模型，研究了掘進(jìn)機(jī)位姿檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)以及巷道斷面自動成形技術(shù)等，并完成模型仿真；文獻(xiàn)[3]以EBZ-260懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，建立掘進(jìn)機(jī)運行參數(shù)與巷道斷面之間的數(shù)學(xué)模型，建立掘進(jìn)機(jī)運動學(xué)、動力學(xué)方程，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動截割過程以及全過程監(jiān)測；文獻(xiàn)[4]設(shè)計并實現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割過程的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)通過該系統(tǒng)可全面掌握掘進(jìn)機(jī)運行狀態(tài)，改善了掘進(jìn)機(jī)巷道成形以及超挖/欠挖問題。文章針對綜掘工作面巷道成形差、掘進(jìn)效率不高的問題，提出以PCC+PP480為控制核心的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割系統(tǒng)方案，能夠提高掘進(jìn)效率，提升巷道成形質(zhì)量，達(dá)到提升掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性的目的，對增進(jìn)綜掘工作面生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 自動截割控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案

懸臂式掘進(jìn)機(jī)由截割部、行走部、轉(zhuǎn)載部三部分組成，其中行走部由左右履帶式行走機(jī)構(gòu)組成，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)通過控制電磁閥進(jìn)而由液壓馬達(dá)驅(qū)動完成履帶式行走；轉(zhuǎn)載部由轉(zhuǎn)載電機(jī)、刮板輸送鏈、星輪等組成，可將截割的煤塊轉(zhuǎn)運至位于掘進(jìn)機(jī)后方的破碎機(jī)；截割部由截割頭、回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸等組成，通過截割頭的上下、左右、前后周而復(fù)始的運動將煤壁破碎，進(jìn)而形成一個完整的拱形、矩形巷道[5-6]。掘進(jìn)機(jī)自動截割控制技術(shù)即通過人機(jī)界面，輸入控制參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)可按照預(yù)設(shè)的自動截割程序、記憶截割程序以及邊界控制程序自動控制油缸、截割速度、截割范圍、截割方向，最終形成滿足預(yù)設(shè)的巷道斷面。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)設(shè)計見圖1所示，為完成自動截割控制，該系統(tǒng)需完成的工作有：①截割頭軌跡跟蹤：建立截割頭軌跡運動學(xué)模型，實時計算并反饋截割頭位置，保證巷道斷面成形質(zhì)量；②截割頭路徑規(guī)劃：根據(jù)該巷道的掘進(jìn)工藝以及巷道成形形狀，建立截割頭路徑規(guī)劃模型，杜絕超挖/欠挖；③自動截割控制：根據(jù)截割頭路徑規(guī)劃需求，控制回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸，并實現(xiàn)搖臂的上下、左右、前后控制，同時控制截割臂運動方向和運動速度，實現(xiàn)截割頭軌跡跟蹤；④自適應(yīng)截割：根據(jù)巷道地質(zhì)條件和載荷變化，動態(tài)改變截割速度、截割臂擺動速度。掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)獲取工控機(jī)人機(jī)界面中的巷道參數(shù)、掘進(jìn)機(jī)參數(shù)后，根據(jù)截割頭路徑規(guī)劃、截割頭軌跡跟蹤方案對截割過程進(jìn)行控制并以通信方式將控制方案傳送給PCC[7-8]。PCC動態(tài)、周期性獲取回轉(zhuǎn)油缸位移傳感器、升降油缸位移傳感器、截割電機(jī)電流傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后完成截割頭坐標(biāo)解算，動態(tài)修正截割頭軌跡控制；將修正后的控制方案傳送給PCC，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后以及A/D轉(zhuǎn)換后控制電液比例閥，進(jìn)而完成掘進(jìn)機(jī)自動截割控制過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制技術(shù)硬件方案見圖2所示，上位機(jī)智能控制面板PP480內(nèi)預(yù)設(shè)自動截割程序、記憶截割程序以及邊界控制程序，同時可動態(tài)顯示截割頭運動軌跡以及巷道斷面輪廓。上位機(jī)PP480與下位機(jī)PCC以CAN通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，PCC同時周期性采集回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸以及截割電機(jī)電流傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析和判斷并修正自動截割程序。上位機(jī)將滿足該巷道地質(zhì)條件以及輪廓參數(shù)的自動截割控制程序傳送給下位機(jī)形成最終控制程序。通過操作手柄、遙控器發(fā)出掘進(jìn)機(jī)控制指令，經(jīng)比例放大器后控制負(fù)載敏感式多路比例換向閥組，進(jìn)而控制回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)油缸、截割臂升降油缸，最終控制截割頭按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行控制。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

PCC選用的型號為CP570，由計算機(jī)、自動控制模塊以及通信模塊三部分組成，具有高性能輸入輸出并行總線以及相對獨立的系統(tǒng)總線，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、組網(wǎng)能力強(qiáng)、安裝方便、適應(yīng)能力好的優(yōu)點。上位機(jī)智能控制面板選用的型號為PP480，能夠為系統(tǒng)提供較好的人機(jī)交互界面，同時可承擔(dān)部分控制和計算任務(wù)。回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸位移傳感器選用的型號為GUC1000，該位移傳感器為礦用本安型，利用磁脈沖原理將位移信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號，內(nèi)部由電子發(fā)射器和傳感器測量單元組成，采用非接觸式測量直線位置變化，具備測量精度高、適應(yīng)范圍廣、穩(wěn)定性好的特點。電流傳感器選用的型號為CS30-800AA.C，供電電壓為DC24V，輸出信號為4～20 mA電流信號或者1～5 V電壓信號，檢測精度高。比例放大板選用的型號為EV22K2-12/24，可將PCC輸出的模擬信號放大并傳送至自動截割系統(tǒng)的液壓裝置控制端。電液比例換向閥選用的型號為PSL，可接收比例放大板信號，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、流速控制，進(jìn)而實現(xiàn)截割臂、截割頭的無限調(diào)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制技術(shù)軟件方案基于B&R Automation Studio軟件平臺實現(xiàn)，采用C++編程語言實現(xiàn)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制軟件系統(tǒng)模塊劃分見圖3所示，有自動截割、手動截割兩種控制模式，有手動、半自動、全自動三種操作方式。自動截割模式即控制系統(tǒng)按照PCC生成的截割路徑、截割軌跡進(jìn)行自動截割和自動刷幫；必要時，可進(jìn)行人工干預(yù)；手動截割模式即巷道環(huán)境異常惡劣無法進(jìn)行自動截割時，由掘進(jìn)機(jī)司機(jī)通過遙控器、控制手柄手動完成截割過程。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)軟件模塊劃分

4 應(yīng)用分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)工業(yè)試驗綜掘工作面煤層賦存穩(wěn)定，巷道開口煤層厚度在9.0～10.0 m之間，1 000 m煤層厚度為5.0～5.4 m之間，煤層傾角為2°～4°，夾矸層厚度約為0.5 m。該綜掘工作面巷道底板以炭質(zhì)泥巖和泥巖為主，煤層頂板以灰白色粗粒砂巖為主；采用矩形巷道，進(jìn)刀深度為0.65 m，截割順序為自下而上→自右而左→自上而下，左右兩幫預(yù)留500 mm。在該綜掘工作面進(jìn)行為期6個月的工業(yè)試驗，根據(jù)設(shè)計的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)對該掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率、瞬時切削率、最大掘進(jìn)速度、不同截割工況時的截割電流等值進(jìn)行預(yù)測、實測。表1所列為6個月內(nèi)該巷道掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)效率、瞬時切削率、最大掘進(jìn)速度預(yù)測與實際值統(tǒng)計表。

表1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測與實測值統(tǒng)計

由表1可知，掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)率、瞬時切削率、最大掘進(jìn)機(jī)速度的預(yù)測值大于實測值，存在相對偏差。懸臂式掘進(jìn)機(jī)實際生產(chǎn)過程中，由于機(jī)械、電氣、液壓復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同配合工作，存在發(fā)生故障的概率，故障耦合性較強(qiáng)，會影響掘進(jìn)機(jī)運行性能，實測值與掘進(jìn)機(jī)實際運行工況相符。

表2所列為懸臂式掘進(jìn)機(jī)在不同運行工況時的截割電機(jī)電流變化統(tǒng)計表，自動截割時截割電機(jī)電流明顯小于手動截割時截割電機(jī)電流值，且手動截割時由于煤塵較大，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)完成根據(jù)積累的經(jīng)驗甄別截割頭實時位置以及速度，一次斷面成形時間高達(dá)20 min。運用自動截割操作模式后，巷道一次斷面成形平均時間為16 min，且無超挖/欠挖問題，成形效果較好。

表2 不同工況時懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)電流值

5 結(jié) 語

以綜掘工作面掘懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對象，研究了掘進(jìn)機(jī)自動截割控制技術(shù)，并得出以下結(jié)論：①以PCC+PP480為核心，構(gòu)建懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)，并將自動截割、記憶截割、邊界控制程序嵌入PP480智能控制面板，經(jīng)PCC修正后控制掘進(jìn)機(jī)截割過程；②完成工業(yè)試驗，試驗結(jié)果表明該自動截割控制系統(tǒng)在提升掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)率、提高巷道斷面成形質(zhì)量等方面效果明顯；③該自動截割控制系統(tǒng)能夠保證掘進(jìn)機(jī)高效、安全、穩(wěn)定工作。