張 錕

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京100071)

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在礦山工程、煤礦工程、水利隧道工程、交通隧道工程中都有比較廣泛的應(yīng)用，特別是對(duì)于礦山巷道開(kāi)采，懸臂式掘進(jìn)機(jī)發(fā)揮著不可替代的作用，提升懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作性能，對(duì)于提升礦山的掘進(jìn)施工速度和效率具有重要意義[1-3]。

當(dāng)前，自動(dòng)化控制技術(shù)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)研究的重點(diǎn)，自動(dòng)化控制技術(shù)可以降低施工作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度(特別是在高粉塵、低照度以及復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)的操作難度)，有效提升巷道(隧道)的生產(chǎn)效率和斷面形成質(zhì)量。但是，目前大多數(shù)關(guān)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化研究集中于系統(tǒng)模型構(gòu)建和仿真數(shù)值模擬，并未在實(shí)際工程中予以驗(yàn)證和應(yīng)用[4-6]。因此，本文在基于PCC+工控機(jī)構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能測(cè)試，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能的穩(wěn)定性、可靠性與高效性，可為自動(dòng)化控制技術(shù)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)介

以三一重型裝備有限公司生產(chǎn)的EBZ200C型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)主要性能參數(shù)為：機(jī)身重量54 t、截割電機(jī)功率200 kW、樁基總功率325 kW、截割頭直徑1120 mm、截割頭轉(zhuǎn)速46/23 rpm、泵站功率110 kW、行走速度0～7 m/min。主要包括切割件、鏟件、主體部分、行走部分、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、后支撐系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及運(yùn)輸系統(tǒng)等部件組成，見(jiàn)圖1。按照功能劃分，懸臂式掘進(jìn)機(jī)可分為轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)、行走結(jié)構(gòu)以及截割結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)主要作用是將截割下來(lái)的礦渣轉(zhuǎn)運(yùn)到刮板運(yùn)輸機(jī)上，行走結(jié)構(gòu)主要作用是控制掘進(jìn)機(jī)的移動(dòng)，截割結(jié)構(gòu)的主要作用是通過(guò)截割頭的上下、左右和前后擺動(dòng)，完成礦的切削。

1-切割件；2-鏟件；3-主體部分；4-行走部分；5-液壓系統(tǒng)；6-水系統(tǒng)；7-潤(rùn)滑系統(tǒng)；8-后支撐系統(tǒng)；9-電氣系統(tǒng)；10-運(yùn)輸系統(tǒng)。圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案

為了實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割施工的自動(dòng)控制，基于PCC和工控機(jī)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可視化顯示、遠(yuǎn)程通信、截割路徑規(guī)劃與跟蹤以及截割頭姿態(tài)測(cè)量與調(diào)整等諸多功能，見(jiàn)圖2。自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理為：截割機(jī)上的油缸位移、溫度、流量以及電流等工況信息會(huì)通過(guò)A/D傳輸至PCC中保存起來(lái)，然后系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些信息進(jìn)行分析計(jì)算，獲取截割頭姿態(tài)和位置信息，接著系統(tǒng)會(huì)通過(guò)CAN通信將分析計(jì)算結(jié)果傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)又會(huì)根據(jù)巷道的掘進(jìn)機(jī)參數(shù)，完成路徑規(guī)劃和截割頭的軌跡追蹤，并通過(guò)CAN通信反饋至PCC，PCC利用軌跡自動(dòng)追蹤功能完成對(duì)實(shí)時(shí)控制量的計(jì)算，最后再通過(guò)D/A將控制信息轉(zhuǎn)化并發(fā)送到電液比例閥，電液比例閥根據(jù)控制信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)截割的自動(dòng)控制。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)框架

2.2 硬件設(shè)計(jì)

PCC：由計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信三部分組成，型號(hào)為CP570B&；R 2000系列，該型號(hào)適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，操作快捷，體積小，安裝方便。工控機(jī)：型號(hào)為PP480，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作，將復(fù)雜項(xiàng)目分解成簡(jiǎn)單小任務(wù)，提供良好的人機(jī)交互界面，使整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化，利于項(xiàng)目系統(tǒng)調(diào)試和故障診斷。位移傳感器：選用GUC 1000型氣缸位移傳感器，輸出電流范圍為0～20 mA，具有適用范圍廣、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。比例放大器：選用EV22K2-12/24型比例放大器，輸入電流<20 mA，輸出電流270～630 mA。電液比例換向閥：選用PSL型電液比例換向閥，輸入電流為270～630 mA，可實(shí)現(xiàn)截割臂擺動(dòng)速度的無(wú)限調(diào)速。電流變送器：選用CS30-800AA.C型電流傳感器，可將0～800 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的電壓信號(hào)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

選用B&R Automation Studio 型軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該型軟件具有獨(dú)立開(kāi)發(fā)環(huán)境、簡(jiǎn)化項(xiàng)目過(guò)程、高效自動(dòng)化組件以及多目標(biāo)控制等優(yōu)點(diǎn)。主要功能為：1)并行開(kāi)發(fā)加速Time-to-market；2)機(jī)電支架標(biāo)準(zhǔn)化；3)智能編程語(yǔ)言及模板；4)強(qiáng)大的調(diào)試和診斷工具，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)在線(xiàn)信息顯示查詢(xún)、錯(cuò)誤日志存儲(chǔ)和警告、強(qiáng)制操作、監(jiān)控、跟蹤等操作。

2.4 控制方法

自動(dòng)控制系統(tǒng)選用PID控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，PID控制器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[7]，在PID控制器中，將掘進(jìn)機(jī)垂直水平位移、機(jī)身傾斜角度偏差作為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過(guò)PID控制器分析后，會(huì)輸出執(zhí)行命令，使懸臂式掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，采用PID控制可大大提升懸臂式掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在本系統(tǒng)中，PID控制器分為主控制器和從控制器，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制作用，主、從控制器之間利用CAN連接通信。PID控制機(jī)理見(jiàn)圖3。

圖3 PID控制器

3 工程應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況

某礦山4201工作面巷道底板巖性為泥巖和砂巖，含有少量的粉砂巖，含礦巖層的頂板巖性為粗粒砂巖，底板巖性為細(xì)砂巖。該工作面內(nèi)沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造，裂隙不發(fā)育，無(wú)斷層，工作面局部底板變化較大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、巷道的斷面形狀和尺寸、頂板底板的巖性以及掘進(jìn)工作面巖性硬度、含水量、含氣量等，選用矩形巷道截面進(jìn)行掘進(jìn)，矩形斷面寬度為5.8 m，高度為3.5 m，截割順序?yàn)樽韵露?、自右向左呈“S”型切割，每次進(jìn)刀深度為0.65 m。截割進(jìn)刀示意見(jiàn)圖4。

圖4 截割進(jìn)刀示意

3.2 效率對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的實(shí)際切割效率參數(shù)與理論(預(yù)測(cè))效率參數(shù)的對(duì)比情況見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)可以看到：生產(chǎn)率、瞬時(shí)切削率以及最大掘進(jìn)速度的理論效率值均大于實(shí)際效率值，生產(chǎn)率相差20.2%，瞬時(shí)切削率相差11.1%，最大掘進(jìn)速度相差7.1%，這主要是因?yàn)樽鳛闄C(jī)電一體化的生產(chǎn)設(shè)備，在施工過(guò)程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)各種故障問(wèn)題，同時(shí)機(jī)械老化、操作人員的熟練度等均會(huì)對(duì)實(shí)際效率產(chǎn)生影響，因而，實(shí)際效率值總會(huì)低于理論效率值。

表1 實(shí)際與理論效率對(duì)比

3.3 功率誤差分析

實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)截割功率與理論截割(預(yù)測(cè))功率的對(duì)比情況見(jiàn)表2。從表中可以看到：在硬度因素f為1.5時(shí)，平均截割功率為168.3 kW，標(biāo)準(zhǔn)差為66.9 kW，變異系數(shù)為0.387，當(dāng)硬度因素f為2.0時(shí)，平均截割功率為189.9 kW，標(biāo)準(zhǔn)差為85.6 kW，變異系數(shù)為0.579，實(shí)測(cè)的平均截割功率為183.1 kW，標(biāo)準(zhǔn)差為88.1 kW，變異系數(shù)為0.471；實(shí)測(cè)值的截割功率參數(shù)值介于硬度1.5～2.0之間，這主要與實(shí)際巷道的巖性是復(fù)雜多變的，大多數(shù)硬度因素介于1.5～2.0之間，而且受機(jī)械摩擦、老化以及含水量、含氣量等的影響，也會(huì)對(duì)截割功率產(chǎn)生影響；但從整體情況來(lái)講，自動(dòng)控制系統(tǒng)的截割功率與實(shí)際情況比較相符，能夠滿(mǎn)足正常的掘進(jìn)施工。

表2 實(shí)測(cè)與理論功率對(duì)比

3.4 時(shí)間對(duì)比分析

對(duì)自動(dòng)截割和人工手動(dòng)截割兩種方法下的截割時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可以看到：在自動(dòng)截割情況下，平均一個(gè)斷面的截割時(shí)間為16.74 min，在手動(dòng)截割情況下，平均一個(gè)斷面的截割時(shí)間為19.32 min，相比人工截割，自動(dòng)截割控制技術(shù)一個(gè)工作斷面可節(jié)約2.58 min，能夠明顯提升礦山巷道的掘進(jìn)施工效率，同時(shí)與手動(dòng)截割相比，自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的斷面成型效果更好，而且能夠避免施工煙塵對(duì)作業(yè)人員身體的損害。

圖5 兩種截割方法截割時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能控制需要，提升礦山巷道的掘進(jìn)施工效率，設(shè)計(jì)了一種基于PCC和工控機(jī)的自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠PID控制器對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)作控制，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明：自動(dòng)控制系統(tǒng)的切削效率和截割效率與實(shí)際情況相符，與傳統(tǒng)人工截割技術(shù)相比，具有更高的掘進(jìn)施工效率，同時(shí)斷面成型效果更好，而且能夠避免施工煙塵對(duì)作業(yè)人員身體的損害。