黃 強(qiáng)

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司機(jī)電部， 山西 霍州 031400）

引言

井下掘進(jìn)機(jī)具有破煤、裝運(yùn)、噴霧除塵等功能，相較于傳統(tǒng)的炮采，具有掘進(jìn)速度快、掘進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為井下煤炭開(kāi)采的主要設(shè)備[1]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為井下掘進(jìn)機(jī)的一種，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2-3]。早在20 世紀(jì)30 年代西方發(fā)達(dá)國(guó)家就致力于掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作的電動(dòng)控制，后來(lái)PLC 的出現(xiàn)極大推動(dòng)了掘進(jìn)工作自動(dòng)化的進(jìn)程[4]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)已經(jīng)逐步開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，取得了一定的成績(jī)，但依然需要更深入的研究，才能保證我國(guó)掘進(jìn)機(jī)早日實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化[5-6]。因此以某型號(hào)懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成及其控制策略

懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、主機(jī)架和后支撐等組成。截割機(jī)通過(guò)左右、上下移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的截割頭實(shí)現(xiàn)煤炭巷道掘進(jìn)過(guò)程中的破煤；裝運(yùn)機(jī)構(gòu)將破落之后的煤炭撥到鏟板中間的刮板輸送機(jī)將其運(yùn)出；行走機(jī)構(gòu)通過(guò)兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)雙側(cè)履帶實(shí)現(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)；主機(jī)架由前架和后架組成，用于支撐截割機(jī)、裝運(yùn)機(jī)等各部件，使其能夠正常運(yùn)行；后支撐主要通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接在后架，作用是增加掘進(jìn)機(jī)的工作穩(wěn)定性。

圖1 截割路徑

懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行煤炭巷道掘進(jìn)多沿矩形軌跡完成，包括掃底、斷面截割、刷幫等工序，具體工藝如圖1 所示。其中掃底主要是由截割機(jī)的左右運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，具體控制路徑為O→O2→A1→A0；斷面截割需要首先設(shè)置截割頭垂直進(jìn)刀距離，之后按照具體控制路徑A0→A→B→C→D→E→F→G→H 完成斷面掘進(jìn)；斷面截割之后需要進(jìn)行刷幫工序，其控制路線為H→G→B→A→D→O，至此完成整個(gè)斷面的截割工作。由此可見(jiàn)要想實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割的自動(dòng)控制，必須能夠?qū)崿F(xiàn)截割頭左右、上下按照一定的軌跡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割工作，由截割頭的空間位置計(jì)算得到截割頭的空間坐標(biāo)，利用PLC 控制截割頭按照指定軌跡完成巷道截割，得到需要的巷道截面，避免出現(xiàn)超挖或者欠挖的問(wèn)題。

2 自動(dòng)成形控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)的控制核心部件采用PLC，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊的擴(kuò)展配置，包括開(kāi)關(guān)量輸入和模擬量輸入等，前者包括按鈕信號(hào)、測(cè)速傳感信號(hào)、相關(guān)故障報(bào)警信號(hào)等；后者包括工作電壓檢測(cè)信號(hào)、電機(jī)工作電流信號(hào)、角度傳感器信號(hào)等。系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電磁閥比例放大器、負(fù)載敏感式比例多路換向閥等控制器直接控制。

2.1 PLC 控制器

PLC 作為控制系統(tǒng)的核心部件，主要由CPU、存儲(chǔ)器、I/O 接口和系統(tǒng)總線等關(guān)鍵部件組成。根據(jù)井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選擇三菱品牌下，型號(hào)為FX2N-80MR-ES/L 的可編程邏輯控制器，其具有運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)能力強(qiáng)、擴(kuò)展性廣等優(yōu)點(diǎn)。PLC 正常運(yùn)行離不開(kāi)I/O 接口電路，此處輸入使用的是（X30-X37） 引腳，輸出使用的是（Y30-Y37）引腳，還對(duì)RS422 接口引腳和擴(kuò)展輸出接口引腳進(jìn)行了配置。PLC 邏輯控制程序的編制運(yùn)用梯形圖語(yǔ)言，程序的交互借助自帶的8 針RS422編程接口。程序的編制在軟件Gxdeveloper 上完成，便于程序編制過(guò)程中的修改、測(cè)試、下載等，也能夠很方便地完成整套程序的仿真控制。

2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊

2.2.1 A/D 模塊

井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)采用的模擬量輸入模塊型號(hào)為FX2N-4AD，其配置3 個(gè)4A/D 模塊，能夠很好地完成與PLC 模塊的連接，通過(guò)4 個(gè)模擬量輸入通道能夠?qū)⑾到y(tǒng)接收得到的模擬量信號(hào)順利轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需要的數(shù)字量信號(hào)。該模擬量輸入模塊的分辨率最大可達(dá)12 位，電壓和電流輸入信號(hào)的選擇可以改變4AD 的具體接線形式，其中電壓信號(hào)的范圍為-10 V～10 V，分辨率為5 mV，電流信號(hào)的范圍為 4 mA～20 mA、-20 mA～20 mA，分辨率為20 mA。

2.2.2 D/A 模塊

井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)的D/A 模塊選用型號(hào)為FX2N-2DA 的模擬輸出模塊，其配置1個(gè)2D/A 與4A/D 模塊相連。該模塊可以混合使用電壓和電流信號(hào)，其中可以輸出0～5 V 或0～10 V 的電壓信號(hào)，分辨率為2.5 mV；也可以輸出4～20 mA 電流信號(hào)，分辨率為4 mA。D/A 模塊需要占用PLC 中的8 個(gè)I/O 接口引腳，通過(guò)FROM/TO 指令實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 比例放大器

井下掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)成形截割控制系統(tǒng)中的電液比例閥控制主要通過(guò)比例放大器完成，具體接線如圖2 所示。比例放大器能夠完成兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的3 位3通或者3 位4 通比例閥。比例放大器可以采用12 V DC 或者24 V DC 電源供電，此處采用的是DC 24 V供電，系統(tǒng)控制信號(hào)能夠使用±5 V DC 或和±10 V DC 兩種電壓信號(hào)，均來(lái)源于2D/A 模塊。比例放大器配置精密電位器，能夠采用調(diào)節(jié)電位器的方法完成比例放大器參數(shù)的調(diào)整，例如開(kāi)啟電流、最大輸出電流等，此處設(shè)置比例放大器的開(kāi)啟電流為300 mA，最大的電流設(shè)置為600 mA。比例放大器同時(shí)可以設(shè)置電流的變化速率，用于實(shí)現(xiàn)油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間，此處設(shè)置為2 s 即可。比例放大器自帶完善的自我保護(hù)功能，包括接地短路和輸出短路等保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，自帶故障指示燈自動(dòng)亮起。

2.4 電氣操作箱

圖2 比例放大器接線圖

為了便于掘進(jìn)機(jī)的操作，為其配置電氣操作箱及操作按鈕，操作箱為隔爆兼本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，其防爆殼體采用高強(qiáng)度鋼板，通過(guò)焊接工藝制作而成。顯示器設(shè)計(jì)在隔爆腔內(nèi)，采用7 芯排線與操作箱控制系統(tǒng)相連，供電電壓選用DC 24 V，借助顯示器能夠監(jiān)視掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)參數(shù)等。相關(guān)的操作按鈕設(shè)計(jì)在本安腔，采用19 芯屏蔽排線與控制箱連接，供電電壓為DC 12 V。電控操作箱電源來(lái)源于控制系統(tǒng)電路中的變壓器，部分控制系統(tǒng)電路如圖3 所示。操作箱上設(shè)置有復(fù)位功能鍵，復(fù)位鍵按下，“上移/增加”、“下移/減小”、“取消/復(fù)位”能夠正常完成截割頭的增加、減小、復(fù)位動(dòng)作。

圖3 控制系統(tǒng)部分接線圖

3 斷面自動(dòng)成形軟件設(shè)計(jì)

3.1 顯示屏程序編制

控制系統(tǒng)選用的顯示屏型號(hào)為UG221H-SR4，產(chǎn)自于日本富士，屏幕尺寸為5.7 英尺，彩色顯示，能夠與富士、三菱等知名PLC 進(jìn)行通訊，通用性好。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四屏顯示界面，通過(guò)手動(dòng)翻屏即可完成各個(gè)顯示界面的切換。顯示器中的信號(hào)指示燈顯示藍(lán)色表示工作正常，顯示粉色表示工作異常。

顯示屏主界面如圖4 所示，其中掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割過(guò)程中指示燈能夠顯示掘進(jìn)機(jī)截割頭上、下、左、右的移動(dòng)極限位置。能夠?qū)崟r(shí)顯示截割頭的高度H和寬度W 的數(shù)值，同時(shí)顯示器也能夠?qū)崟r(shí)顯示截割電流的大小以及截割電機(jī)的高、低速狀態(tài)?？刂茀?shù)設(shè)定屏幕如圖5 所示，能夠完成截割頭的高度、寬度、截割步距等參數(shù)的設(shè)置?？紤]到掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中的安全性，將截割斷面的截割范圍設(shè)置為高度H為 1 600～4 100 mm，寬度 B 為 2 200～4 700 mm，截割距 d 為 200～1 000 mm。

圖4 顯示屏主界面

圖5 控制參數(shù)設(shè)置界面

3.2 PLC 程序編制

PLC 作為掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割的核心部件，其實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵是程序的編制，程序編制的主要依據(jù)是掘進(jìn)機(jī)的工藝流程，具體PLC 控制流程如圖6所示?；诖碎_(kāi)展PLC 程序的編制，編程過(guò)程中使用的軟件為三菱公司生產(chǎn)、型號(hào)為SW7D5C-GPPW-C 的軟件，充分考慮掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中的諸多因素，完成PLC 程序的編制，以此實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的截割控制。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

圖6 PLC 邏輯控制流程圖

為了驗(yàn)證井下掘進(jìn)機(jī)截割自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤礦井下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，并對(duì)其進(jìn)行連續(xù)半年時(shí)間工作內(nèi)的跟蹤記錄。相較于截割頭自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用之前，操作人員數(shù)量減少了2名，提高了掘進(jìn)機(jī)工作的自動(dòng)化水平，據(jù)相關(guān)人員統(tǒng)計(jì)分析，該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)省近40 萬(wàn)元/年的掘進(jìn)機(jī)作業(yè)和維護(hù)支出。該系統(tǒng)程序邏輯控制清晰、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠可靠完成指定工藝流程下的巷道斷面掘進(jìn)要求，滿足井下煤炭開(kāi)采作業(yè)的需求，使企業(yè)的煤炭開(kāi)采效率提高近15%，取得了較高的應(yīng)用效果。