毋堅強

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

隨著礦井裝備機械化、自動化的快速發(fā)展，采掘設(shè)備也逐漸在各煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前各煤礦井下現(xiàn)場所采用的懸臂式掘進機大都采用工頻控制方式，需要現(xiàn)場人員根據(jù)井下煤巖地質(zhì)的不同進行人工控制操作，由于現(xiàn)場人工操作的不確定性使得巷道成型效果不佳。因此，本文以智能和變頻控制為基礎(chǔ)對掘進機截割自動控制系統(tǒng)進行設(shè)計，根據(jù)作用于截割電機的載荷、煤巖變化情況來對截割電機參數(shù)進行智能自動化實時調(diào)整，從而實現(xiàn)安全穩(wěn)定的快速掘進。

1 掘進機結(jié)構(gòu)與工藝

本文以各礦廣泛應(yīng)用的EBZ-200型懸臂式掘進機為研究對象進行截割控制系統(tǒng)的設(shè)計，圖1為懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)示意圖

懸臂式掘進機是按照巷道設(shè)計要求，根據(jù)既定截割路線，利用截割臂的移動和截割頭對煤巖體進行旋轉(zhuǎn)截割，直至達到所設(shè)計的巷道斷面。根據(jù)懸臂式掘進機的工藝特點，其自動化控制的主要對象應(yīng)為油缸移動與運行參數(shù)，并具備自動截割作業(yè)、路線規(guī)劃、自適應(yīng)調(diào)速等特點。

2 控制系統(tǒng)總方案

為實現(xiàn)懸臂式掘進機的自動截割，采用可編程控制器和工業(yè)控制計算機對各模塊及其功能進行總體方案設(shè)計，實現(xiàn)截割頭姿態(tài)、截割路線規(guī)劃、截割路徑跟蹤、遠程通信以及可視化顯示等功能，控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)工作原理如下：通過A/D轉(zhuǎn)換器將懸臂式掘進機油缸的位移、溫度、流量、電流等參數(shù)采集傳輸?shù)娇删幊炭刂破鳎瑩?jù)此分析截割頭位置和姿態(tài)，再利用CAN通訊將信息傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機。以巷道尺寸、斷面形狀、技術(shù)參數(shù)等信息為基礎(chǔ)，可編程控制器可以實現(xiàn)規(guī)劃截割路線、自適應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能。利用可編程控制器和工業(yè)控制計算機的通訊功能，基于截割路線規(guī)劃和截割軌跡等信息，采用截割臂軌跡自動跟蹤算法來實時計算控制量，再利用D/A轉(zhuǎn)換器控制輸出電流來對電液比例閥進行控制，從而實現(xiàn)對截割頭的自適應(yīng)截割控制。

3 控制系統(tǒng)硬件

圖3為控制系統(tǒng)組成框圖。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

如圖3所示，控制系統(tǒng)主要由檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元、下位機等部分組成。利用檢測單元布置于懸臂式掘進機上的各類傳感器獲取掘進機相關(guān)截割信息參數(shù)，控制單元可對傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號進行儲存記錄，并根據(jù)掘進機截割頭實時截割情況進行分析，利用執(zhí)行單元來對掘進機截割過程進行自動控制。

控制系統(tǒng)硬件選型如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

4 控制系統(tǒng)軟件

通過貝加萊Automation Studio仿真軟件對控制系統(tǒng)進行整體設(shè)計，該仿真軟件具有C﹢﹢語言程序簡便、自動化組件高效、控制目標多樣等特點，并且可以同時符合上位機與下位機的系統(tǒng)開發(fā)要求。

4.1 控制基礎(chǔ)

依據(jù)掘進機作業(yè)時截割頭的水平偏角和位移、縱向偏角和位移、后部偏角對其位置和姿態(tài)進行分解，及時糾正掘進機位置和姿態(tài)是實現(xiàn)掘進機自動控制的基礎(chǔ)。在掘進機掘進巷道內(nèi)建立三維直角坐標系，其中X軸正向為沿巷道底板豎直向上，Y軸方向為沿著巷道水平方向，Z軸正向為沿著掘進機向前掘進方向。

通過對掘進機機身位置與姿態(tài)進行三向分解之后，根據(jù)所測量的掘進機位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，對其位置與姿態(tài)進行糾偏以達到保證掘進機處于正確位置與姿態(tài)的目的。

4.2 自動截割控制

控制系統(tǒng)采用PID控制技術(shù)對掘進機進行自動截割控制，PID控制器具備線性控制、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等優(yōu)點，適用于井下現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。首先對PID控制器進行參數(shù)設(shè)置，PID控制器在輸入測量偏差數(shù)據(jù)之后，可以對數(shù)據(jù)進行分析判斷，再利用通訊系統(tǒng)將處理結(jié)果作為輸出信號完成對掘進機相關(guān)機構(gòu)的控制，形成高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

自動截割控制PID控制器首先需要采集相關(guān)數(shù)據(jù)信號，分別將位移傳感器布置于截割臂、旋轉(zhuǎn)編碼器布置于回轉(zhuǎn)體中心，位移傳感器對截割臂的豎向位移數(shù)據(jù)進行采集，旋轉(zhuǎn)編碼器對截割臂的水平位移數(shù)據(jù)進行采集。然后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號與給定值進行比較計算偏差，將偏差值輸入PID控制器再經(jīng)過其計算后，輸出相應(yīng)信號完成對掘進機截割臂的控制動作，整個PID控制器與其他設(shè)備之間的通訊采用CAN總線的方式。圖4為掘進機截割臂PID控制器工作流程示意圖。

圖4 掘進機截割臂PID控制器工作流程示意圖

5 結(jié)語

本次懸臂式掘進機自動截割控制系統(tǒng)的設(shè)計以可編程控制器和工業(yè)控制計算機為基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元和下位機等，實現(xiàn)了截割頭姿態(tài)檢測、截割路線規(guī)劃、截割路徑跟蹤、遠程通信以及可視化顯示等功能。在現(xiàn)場井下掘進工作面的使用過程中，采用手動截割模式，現(xiàn)場粉塵較大、能見度較低，現(xiàn)場操作人員大部分時間僅能依靠經(jīng)驗對截割臂的移動和截割頭的轉(zhuǎn)算進行操作，斷面成型平均時間為22 min，現(xiàn)場作業(yè)效率低下，并且巷道斷面成型效果較差；而采用自動截割模式，巷道斷面成型效果較手動操作好，并且降低了工人的勞動強度，斷面成型平均時間為19 min，顯著改善了掘進機現(xiàn)場工作效率。