趙世民， 劉清

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

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用于工作面液壓支架對(duì)齊的激光對(duì)位傳感器設(shè)計(jì)

趙世民， 劉清

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

為了滿足煤礦井下工作面跟機(jī)自動(dòng)化連續(xù)采煤需求，設(shè)計(jì)了一種用于工作面液壓支架對(duì)齊的激光對(duì)位傳感器，詳細(xì)介紹了基于激光對(duì)位傳感器的移架對(duì)齊原理及傳感器的軟硬件設(shè)計(jì)。該傳感器采用小型化設(shè)計(jì)，具有安裝方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。井下工業(yè)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將該傳感器應(yīng)用在跟機(jī)自動(dòng)化采煤中，可使工作面走向的相鄰液壓支架間的平均對(duì)齊精度達(dá)到30 mm。

煤炭開(kāi)采; 綜采工作面； 跟機(jī)自動(dòng)化； 液壓支架； 激光對(duì)位

0 引言

隨著煤礦綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的進(jìn)步，液壓支架電液控制系統(tǒng)跟機(jī)自動(dòng)化采煤技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用在綜采工作面上[1]。工作面跟機(jī)自動(dòng)化中要求“三直二平”，即煤壁、刮板輸送機(jī)和支架成直線狀，刮板輸送機(jī)和支架平穩(wěn)牢靠。目前國(guó)內(nèi)煤礦生產(chǎn)中一般采用工作面拉鋼絲繩或打出一個(gè)激光光束的方式提供液壓支架推移對(duì)齊的標(biāo)準(zhǔn)[2]，人工手動(dòng)調(diào)整工作支架和刮板輸送機(jī)對(duì)齊，該方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，無(wú)法適應(yīng)綜采工作面跟機(jī)自動(dòng)化采煤的需求。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一種自動(dòng)、實(shí)用、可靠的工作面支架自動(dòng)對(duì)齊方法，相關(guān)技術(shù)基本處于理論研究狀態(tài)。一種方法是采用基于陀螺儀的慣性導(dǎo)航技術(shù)，利用陀螺儀記錄采煤機(jī)采煤過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡判定支架和刮板輸送機(jī)是否對(duì)齊。該方法要求陀螺儀具有抗振性、精度高等特點(diǎn)，因?yàn)橥勇輧x價(jià)格昂貴，所以目前沒(méi)有在國(guó)內(nèi)推廣使用起來(lái)[3]。另一種方法是采用磁力的方式設(shè)計(jì)調(diào)直行程傳感器，根據(jù)行程傳感器的輸出值判斷相鄰支架的相對(duì)位置，傳感器本體和永磁體分別安裝在液壓支架兩側(cè)頂梁側(cè)護(hù)板內(nèi)[4]。該方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，但有以下缺點(diǎn)：要求傳感器安裝在相鄰支架頂梁側(cè)護(hù)板之間，此處空間小、不易安裝，并且存在漏矸，傳感器易被砸壞；永磁體長(zhǎng)時(shí)間安裝在頂梁側(cè)護(hù)板內(nèi)會(huì)產(chǎn)生磁化，對(duì)行程傳感器的輸出精度有很大影響。目前該方法尚沒(méi)有確定的效果。為此，本文設(shè)計(jì)了一種激光對(duì)位傳感器，使工作面相鄰液壓支架的平均對(duì)齊精度達(dá)到了30 mm。

1 移架對(duì)齊原理

激光對(duì)位傳感器是一種基于激光技術(shù)來(lái)測(cè)量安裝在相鄰液壓支架上的2個(gè)傳感器間的相對(duì)位置的傳感器[5]。激光對(duì)位傳感器安裝在工作面的每個(gè)液壓支架上面，傳感器與液壓支架控制器相連接。在跟機(jī)自動(dòng)化采煤過(guò)程中，基準(zhǔn)支架的電液控制器控制傳感器打開(kāi)激光，并照向相鄰要向前移動(dòng)的支架上面的傳感器；移動(dòng)支架的電液控制器在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)讀取傳感器檢測(cè)到的位置，如果未到達(dá)對(duì)齊位置，就控制支架繼續(xù)向前移動(dòng)，直到2個(gè)支架對(duì)齊時(shí)停止移架。移架對(duì)齊原理如圖1所示。

圖1 基于激光對(duì)位傳感器的移架對(duì)齊原理

2 激光對(duì)位傳感器設(shè)計(jì)

激光對(duì)位傳感器由2個(gè)激光發(fā)射器和2個(gè)激光接收器組成，分別安裝在傳感器的2個(gè)面，具有雙向激光發(fā)射與接收的功能。激光發(fā)射器用于發(fā)射激光到相鄰支架傳感器的激光接收器上面，發(fā)射的激光形成一個(gè)線形的光面，這樣就允許相鄰支架傳感器安裝時(shí)在垂直方向不完全對(duì)齊，降低了安裝難度。根據(jù)支架的移動(dòng)速度，移架過(guò)程分成加速、勻速、減速3個(gè)階段。利用傳感器控制移動(dòng)支架與基準(zhǔn)支架對(duì)齊要在減速過(guò)程中使用，減速長(zhǎng)度占整個(gè)移架距離(960 mm)的1/4，大約為200 mm。由于支架內(nèi)安裝空間有限，傳感器應(yīng)設(shè)計(jì)得小一些，本文設(shè)計(jì)傳感器長(zhǎng)度為210 mm。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

激光對(duì)位傳感器主要由電源電路、通信電路、CPU電路、激光發(fā)射電路、激光接收電路5部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電源電路采用LM25574降壓型開(kāi)關(guān)電源芯片實(shí)現(xiàn)，其具有6～42 V的超寬電壓輸入范圍，用于將外部輸入的12 V直流電壓轉(zhuǎn)換成 3.3 V電壓，供傳感器內(nèi)部電路使用。通信電路采用MAX3232芯片作為RS232接口電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器間、傳感器內(nèi)部2個(gè)電路板間的串行通信。CPU電路采用基于Cortex-M3內(nèi)核的LPC1752芯片為控制核心，通過(guò)RS232接口與支架電液控制器相連；CPU接收控制器發(fā)送的測(cè)量指令，上傳測(cè)量數(shù)據(jù)到控制器，并通過(guò)I/O口來(lái)控制激光發(fā)射器打開(kāi)或關(guān)閉；CPU片上ADC通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)采集激光接收陣列光敏電阻的阻值，通過(guò)一定的軟件算法判斷是否接收到激光照射。激光發(fā)射電路由繼電器和激光發(fā)射器組成，LPC1752的I/O口控制繼電器打開(kāi)或關(guān)閉激光發(fā)射器的電源。激光接收電路由2行光敏電阻交錯(cuò)排列而成，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)連接到LPC1752的ADC上面，通過(guò)采集光敏電阻的阻值來(lái)判斷有無(wú)激光照射。

圖2 激光對(duì)位傳感器硬件結(jié)構(gòu)

采用42個(gè)直徑為10 mm的光敏電阻組成激光接收器的接收陣列，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將光敏電阻分成2行，交錯(cuò)排列，如圖3所示。這樣相鄰2個(gè)光敏電阻間的距離只有5 mm，同時(shí)激光接收器的對(duì)齊精度也達(dá)到5 mm[6-7]。

圖3 激光接收陣列光敏電阻分布

2.2 軟件設(shè)計(jì)

激光對(duì)位傳感器的軟件基于嵌入式操作系統(tǒng)編寫，包括下載管理程序和應(yīng)用程序。下載管理程序?qū)崿F(xiàn)了在煤礦井下對(duì)傳感器程序進(jìn)行更新與升級(jí)的功能。應(yīng)用程序由串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)、光敏電阻采集任務(wù)、系統(tǒng)燈任務(wù)組成。

串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)接收控制器的命令數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)傳感器位置讀取、激光發(fā)射器打開(kāi)控制、參數(shù)設(shè)置等功能；命令執(zhí)行完成后，給控制器發(fā)送應(yīng)答，通知命令執(zhí)行成功。串口數(shù)據(jù)處理程序流程如圖4所示。

圖4 串口數(shù)據(jù)處理程序流程

光敏電阻采集任務(wù)通過(guò)LPC1752片上的ADC模塊采集激光接收陣列上的所有光敏電阻的電壓，通過(guò)一系列的計(jì)算求出每個(gè)光敏電阻的阻值。光敏電阻的特性是阻值與光照強(qiáng)度成反比，即光照越強(qiáng)，光敏電阻的阻值越小。程序得到每個(gè)光敏電阻的阻值后，通過(guò)最小數(shù)據(jù)查找算法計(jì)算出最小阻值的光敏電阻，并且記錄光敏電阻的位置；將最小阻值與預(yù)先設(shè)置的光照閾值參數(shù)進(jìn)行比較，如果小于光照閾值參數(shù)，則認(rèn)為該光敏電阻接收到光照。光敏電阻采集程序流程如圖5所示。

圖5 光敏電阻采集程序流程

系統(tǒng)燈任務(wù)即控制傳感器藍(lán)色指示燈以1 s的周期進(jìn)行閃爍，指示燈閃爍表明傳感器工作正常，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)觀察傳感器工作狀態(tài)十分有用。

3 井下實(shí)驗(yàn)

激光對(duì)位傳感器在內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦生產(chǎn)班進(jìn)行了井下工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。傳感器安裝在工作面40—45號(hào)支架上，測(cè)試前調(diào)整5個(gè)被測(cè)支架使其處于同一姿態(tài)。其中第40架和第45架以工作面事先拉好的找直鋼絲繩為基準(zhǔn)，通過(guò)人工移架調(diào)整到位。泵站系統(tǒng)乳化液壓力為30.5 MPa，測(cè)試并記錄了3次采煤機(jī)上行自動(dòng)移架情況下41—44號(hào)支架的對(duì)齊數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)移架對(duì)齊數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于安裝了激光對(duì)位傳感器的支架，相鄰支架的平均對(duì)齊精度在30 mm內(nèi)。激光對(duì)位傳感器設(shè)計(jì)的對(duì)齊精度為5 mm，理論上可以實(shí)現(xiàn)5 mm的對(duì)齊精度，但由于液壓系統(tǒng)的原因，乳化液壓力越大，自動(dòng)移架過(guò)程中支架移動(dòng)的速度越快，越難控制對(duì)齊精度。在乳化液壓力為30.5 MPa的情況下，控制器打開(kāi)電磁先導(dǎo)閥后，支架向前移動(dòng)的最小距離為20 mm；當(dāng)關(guān)閉電磁先導(dǎo)閥后，由于慣性，支架還要向前移動(dòng)幾毫米，同時(shí)移架過(guò)程中乳化液的壓力不是恒定的，因此，本次實(shí)驗(yàn)達(dá)到了30 mm的對(duì)齊精度。

4 結(jié)語(yǔ)

激光對(duì)位傳感器采用小型化設(shè)計(jì)，可以方便地安裝在支架立柱上，與采用磁力方式的調(diào)直行程傳感器相比，具有不容易被漏矸砸壞、不會(huì)磁化的優(yōu)點(diǎn)；與采用基于陀螺儀的慣性導(dǎo)航技術(shù)相比，具有價(jià)格低廉和抗振的優(yōu)點(diǎn)。井下工業(yè)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將該傳感器應(yīng)用在跟機(jī)自動(dòng)化采煤中，可使工作面走向的相鄰液壓支架間的平均對(duì)齊精度達(dá)到30 mm。但從整個(gè)工作面的液壓支架對(duì)齊來(lái)看，對(duì)齊精度還達(dá)不到要求。為提高整個(gè)工作面液壓支架的對(duì)齊精度，后續(xù)的研究中將加入基于乳化液壓力的控制算法和整個(gè)工作面電液控制系統(tǒng)層面的直線度控制算法。

[1] 田成金,魏文艷,朱小林.基于SAC型液壓支架電液控

制系統(tǒng)的跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采,2012,17(2):46-50.

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Design of laser alignment sensor for alignment of hydraulic supports on working face

ZHAO Shimin， LIU Qing

(Beijing Tiandi-Marco Electronic-Hydraulic Control System Company Ltd., Beijing 100013, China)

In order to satisfy continuous coal mining requirements of coal-cutter following automation on coal mining face, a laser alignment sensor for alignment of hydraulic supports on working face was designed. Alignment principle based on laser alignment sensor and hardware and software designs were introduced. The sensor uses miniaturization design, and has advantages of easy installation, low price and so on. The results of underground industrial experiments show that average alignment precision of adjacent hydraulic supports can reach 30 mm while applying the sensor to automatic coal mining.

coal mining; fully mechanized mining face; coal-cutter following automation; hydraulic support; laser alignment

1671-251X(2016)11-0074-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.018

趙世民，劉清.用于工作面液壓支架對(duì)齊的激光對(duì)位傳感器設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(11)：74-77.

2016-05-05；

2016-09-27；責(zé)任編輯：胡嫻。

趙世民(1982-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，從事綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)工作，E-mail:zhaosm@tdmarco.com。

TD355.4

A

時(shí)間：2016-10-28 16:32

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1632.018.html