葉鈺斌 胡振華 王 禛 侯 慶

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，徐州 221116）

我國(guó)是能源大國(guó)，煤炭占能源生產(chǎn)總量的比重連續(xù)多年保持在75%以上，對(duì)于能源結(jié)構(gòu)的意義非凡。在能源開(kāi)采工作中，隨著巷道掘進(jìn)量的增加，工作難度越來(lái)越大。目前，巷道掘進(jìn)設(shè)備的自動(dòng)化程度仍然偏低，影響了煤炭開(kāi)采效率，同時(shí)可能引發(fā)一系列問(wèn)題。因此，推動(dòng)巷道掘進(jìn)設(shè)備的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)鉆頭可自動(dòng)調(diào)速的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，將成為未來(lái)煤層開(kāi)采工作的關(guān)鍵點(diǎn)。

鉆速自動(dòng)調(diào)整的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)可以提高采煤效率、設(shè)備的可靠性、降低能耗，并且在深層煤層作業(yè)時(shí)具有自我調(diào)節(jié)、檢測(cè)功能。這將極大地減少人力資源，保障工作人員的安全。同時(shí)，方便人員分析礦山煤炭?jī)?chǔ)量與質(zhì)量，降低企業(yè)的盈利風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于開(kāi)采工作的路線規(guī)劃具有重大意義。

1 硬度檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

掘進(jìn)機(jī)粉碎礦石主要依靠截割部來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器上電后截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)截齒運(yùn)動(dòng)，通過(guò)截齒運(yùn)動(dòng)對(duì)礦石進(jìn)行持續(xù)沖擊，完成礦石切割[1]。根據(jù)鉆頭的工作原理，設(shè)計(jì)出一種能夠檢測(cè)礦石硬度的裝置。該硬度檢測(cè)裝置主要由壓力傳感器組成，安裝于截割部上且與截齒接觸。截齒沖擊礦石時(shí)受到反作用力。檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)收集該作用力的數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)值作為下截齒的載荷，即當(dāng)前巖層的硬度值。該數(shù)值變化象征巖層硬度的變化情況[2]。該檢測(cè)裝置的大致結(jié)構(gòu)外形，如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割頭檢測(cè)裝置示意

首先，分析截割頭截齒工作的實(shí)際情況。截割頭上最先受到煤礦作用力的部位為其最前端和最外圈?？紤]檢測(cè)數(shù)值的精確性受煤礦巖層天然結(jié)構(gòu)等偶然因素的影響，將檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)置在截割頭部位的截齒上，即在最前端安裝1 個(gè)裝置，在最外圈均勻安裝4 個(gè)裝置，共安裝5 個(gè)裝置[3]。工作時(shí)，每個(gè)裝置上的壓力傳感器實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)求取平均值，該均值即為當(dāng)前巖層的硬度值。

其次，完善檢測(cè)裝置的硬件控制系統(tǒng)。裝置選用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制器編寫(xiě)的算法應(yīng)能夠滿足傳感器數(shù)據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)換的高精度需求。數(shù)據(jù)采集模塊采用壓力傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測(cè)量，滿足量程的基本要求。通信傳輸模塊為控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線方式，將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤傳送給控制系統(tǒng)，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和接收的作業(yè)。

裝置采用的CAN 總線通信方式，是一種可靠的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能使信號(hào)通過(guò)總線實(shí)時(shí)、高效率的進(jìn)行傳輸，使控制單元通過(guò)總線共享數(shù)據(jù)信息，以此達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)備、提高檢測(cè)精確度、提升裝置抗干擾能力、減少設(shè)備應(yīng)用和生產(chǎn)的成本以及配合銜接控制系統(tǒng)工作的目的。此外，CAN 總線為多主方式工作，節(jié)點(diǎn)有不同的優(yōu)先級(jí)并且具有非破壞性仲裁技術(shù)，報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)出錯(cuò)率較低。該數(shù)據(jù)通信方式效率高，且具備優(yōu)秀的可靠性和實(shí)時(shí)性，是將來(lái)傳感器智能化實(shí)現(xiàn)以及自動(dòng)化控制的關(guān)鍵。

再次，完善檢測(cè)裝置的功能程序配置。系統(tǒng)使用C 語(yǔ)言完成各部分功能程序的編程，針對(duì)各個(gè)功能模塊分別編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)程序。分析該控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及要求，結(jié)合硬件部分構(gòu)建的設(shè)備模型，匹配出對(duì)應(yīng)的軟件功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、CAN總線通信、數(shù)據(jù)顯示模塊和主程序模塊等。檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。過(guò)程中受到的載荷也在不斷變化，電機(jī)工作功率極不穩(wěn)定，使得電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)載或欠載狀態(tài)，極易造成電機(jī)飛車、短路和斷相等故障，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)設(shè)備損壞，甚至威脅人身安全。

圖2 檢測(cè)裝置主要的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

最后，完成功能模塊的編寫(xiě)并導(dǎo)入執(zhí)行動(dòng)作程序后，對(duì)該軟件模塊系統(tǒng)上電進(jìn)行初始化，初始化進(jìn)程動(dòng)作加載結(jié)束即表示設(shè)計(jì)的程序?qū)氤晒?。同時(shí)，前往實(shí)地進(jìn)行裝置的功能有效性檢驗(yàn)。在截齒與煤礦巖層持續(xù)的沖擊過(guò)程中，傳感器不斷采集信號(hào)，通過(guò)CAN 總線實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋在液晶顯示屏上[4]。液晶顯示模塊樣式，如圖3 所示。

圖3 液晶顯示模塊樣式

2 變頻器的應(yīng)用

在當(dāng)前工程機(jī)器的作業(yè)場(chǎng)景中，設(shè)備最理想的工作狀態(tài)是能夠保持恒功率運(yùn)行。然而，掘進(jìn)機(jī)截割頭的工作主要依靠截割電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，在煤礦巷道工作過(guò)程中巖石的每層硬度都在不斷變化，導(dǎo)致截割頭工作

基于此，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)提出對(duì)截割電機(jī)進(jìn)行恒功率運(yùn)行的調(diào)速方案設(shè)計(jì)。據(jù)現(xiàn)有技術(shù)列出6 種調(diào)速方式，包括液壓馬達(dá)調(diào)速、雙速電機(jī)調(diào)速、軟啟動(dòng)方式、直流調(diào)速、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速以及變頻調(diào)速。分析現(xiàn)有的調(diào)速方式，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，考慮安裝成本、過(guò)載能力等因素，得出使用變頻器調(diào)速是較好的選擇[5]。

變頻器主要由主電路和控制電路兩部分構(gòu)成，主電路包括整流電路和逆變電路[6]?？刂齐娐纺軌蚩刂颇孀冸娐返拈_(kāi)關(guān)、整流電路的電壓狀況，并且具有保護(hù)電路的功能。逆變電路受到控制電路的作用，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為任意頻率和電壓的交流信號(hào)。接收數(shù)據(jù)由PLC 進(jìn)行計(jì)算處理，將動(dòng)作信號(hào)發(fā)送到變頻器，變頻器再執(zhí)行相應(yīng)的指令，以控制切換截割電機(jī)轉(zhuǎn)速[7]。變頻器工作原理，如圖4 所示。

圖4 變頻器工作原理

其工作原理可用公式表示，即

式中：N為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；f1為電動(dòng)機(jī)供電頻率。分析式（1）可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和供電頻率成正比，可以使用變頻器持續(xù)改變電機(jī)的供電頻率，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。

3 鉆速控制環(huán)節(jié)的設(shè)定

截割不同硬度的煤巖會(huì)使掘進(jìn)機(jī)承受的截割載荷產(chǎn)生較大的差異。設(shè)備正常掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，在截割硬度較小的煤層時(shí)應(yīng)降低截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速以避免能源損耗，而在截割硬度較大的巖層時(shí)應(yīng)增大截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速以提高工作效率，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行一定的保護(hù)[8]。因此，設(shè)置不同的截割頭固定轉(zhuǎn)速擋，使用不同轉(zhuǎn)速擋位對(duì)不同硬度的煤巖層巷道進(jìn)行沖擊粉碎。觀察并記錄不同擋位對(duì)不同硬度巖層的作業(yè)完成情況，通過(guò)匹配分析得出硬度閾值下對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速值。

截割轉(zhuǎn)速擋位數(shù)據(jù)，如表1 所示。根據(jù)所得數(shù)據(jù)情況將截割電機(jī)分為低速、中速和高速擋位。設(shè)置電機(jī)上電初始化空載運(yùn)行時(shí)為低速擋。低速擋位適用于硬度值不大于5 MPa 的煤層巷道，中速擋位適用于硬度值為5 ～8 MPa 的混合巖層巷道，高速擋位適用于硬度不小于8 MPa 的全巖巷道。工作時(shí)，傳感器裝置在線檢測(cè)當(dāng)前巷道的硬度，PLC 根據(jù)反饋的硬度值控制變頻器調(diào)頻，實(shí)時(shí)調(diào)整截割電機(jī)進(jìn)行換擋。

表1 截割轉(zhuǎn)速擋位數(shù)據(jù)

首先，系統(tǒng)將PLC 與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合。若檢測(cè)裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)增大，則表示當(dāng)前掘進(jìn)過(guò)程中巖石的硬度在增加[9]。當(dāng)數(shù)值增大且突破對(duì)應(yīng)擋位的硬度閾值時(shí)，PLC 可自動(dòng)控制變頻器實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)轉(zhuǎn)速向高擋位切換。反之，數(shù)據(jù)下降時(shí)電機(jī)自動(dòng)向低擋位切換，從而提高掘進(jìn)效率并保護(hù)電機(jī)。

其次，完善鉆速調(diào)節(jié)裝置的硬件系統(tǒng)。將該控制系統(tǒng)的上位機(jī)作為檢測(cè)裝置的液晶顯示屏，下位機(jī)作為PLC。設(shè)備中的變頻控制器、主控制器和顯示模塊均采用CAN 總線通信方式。變頻器接收PLC 的控制指令，負(fù)責(zé)調(diào)整截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速，截割電機(jī)運(yùn)動(dòng)中的各種參數(shù)均顯示在顯示屏上。

最后，完善鉆速調(diào)節(jié)裝置的功能程序配置。對(duì)CAN 總線進(jìn)行初始化處理，其所接收的數(shù)據(jù)為從變頻器上獲取的電流、電壓等參數(shù)，并將控制器指令發(fā)送給變頻器[10]。同時(shí)，設(shè)置智能換擋模式，即由低擋換中擋或高擋模塊、中擋換高擋或低擋模塊、高擋換中擋或低擋模塊，通過(guò)檢測(cè)裝置所檢測(cè)的數(shù)據(jù)與硬度閾值相比較，符合換擋條件時(shí)自動(dòng)完成換擋操作[11]。自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)控制邏輯，如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)控制邏輯圖

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)速作為電機(jī)重要的參數(shù)，是電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。在工業(yè)生產(chǎn)中要加強(qiáng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)控制并且深入研究電機(jī)保護(hù)的方式，以此降低生產(chǎn)成本同時(shí)防止發(fā)生事故造成人身安全。

設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)鉆頭控制系統(tǒng)使用效果良好，結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，降低了截割電機(jī)的故障率，減少了設(shè)備維修成本和人工成本，提高了整機(jī)的性能與技術(shù)水平。掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，能夠使掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)過(guò)程中自動(dòng)適應(yīng)巖層硬度的變化，并且能保持機(jī)車工作的穩(wěn)定。

掘進(jìn)機(jī)鉆頭控制系統(tǒng)可采集檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN 總線通信自動(dòng)換擋，應(yīng)用效果良好，降低了截割電機(jī)的故障率，提高了整機(jī)的性能與技術(shù)水平。在巷道作業(yè)過(guò)程中，煤層巷道采用高擋位，半煤巖巷道切換至中擋位，全巖巷道采用高擋位，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)巷道巖石硬度控制掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的功能，不僅提高了掘進(jìn)機(jī)的破巖效率，而且保證了掘進(jìn)工作的完成進(jìn)度。