吳 東

(山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 太原 030200)

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下重要的綜合掘進(jìn)設(shè)備，在煤礦綜掘工作面得到了廣泛使用。我國(guó)煤礦井下綜掘率僅為48.12%，除井下水害、瓦斯、粉塵、巷道自然條件等因素制約外，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割技術(shù)成為影響礦井綜掘率的關(guān)鍵因素。目前，掘進(jìn)機(jī)仍需配備掘進(jìn)機(jī)司機(jī)人工操作而完成巷道掘進(jìn)任務(wù)，巷道成型不規(guī)則、掘進(jìn)路線嚴(yán)重偏差、超挖/欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，成為制約綜掘工作面生產(chǎn)效率低下的原因之一[1]。為解決智能化煤礦開(kāi)采中遇到的“采掘失衡、掘進(jìn)滯后”的問(wèn)題，提升綜掘工作面生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)掘進(jìn)機(jī)智能化、自動(dòng)截割技術(shù)展開(kāi)一系列的研究，如文獻(xiàn)[2]建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)身及截割頭數(shù)學(xué)模型，研究了掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及巷道斷面自動(dòng)成形技術(shù)等，并完成模型仿真；文獻(xiàn)[3]以EBZ-260懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，建立掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)與巷道斷面之間的數(shù)學(xué)模型，建立掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割過(guò)程以及全過(guò)程監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)通過(guò)該系統(tǒng)可全面掌握掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，改善了掘進(jìn)機(jī)巷道成形以及超挖/欠挖問(wèn)題。文章針對(duì)綜掘工作面巷道成形差、掘進(jìn)效率不高的問(wèn)題，提出以PCC+PP480為控制核心的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割系統(tǒng)方案，能夠提高掘進(jìn)效率，提升巷道成形質(zhì)量，達(dá)到提升掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性的目的，對(duì)增進(jìn)綜掘工作面生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 自動(dòng)截割控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

懸臂式掘進(jìn)機(jī)由截割部、行走部、轉(zhuǎn)載部三部分組成，其中行走部由左右履帶式行走機(jī)構(gòu)組成，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)控制電磁閥進(jìn)而由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)完成履帶式行走；轉(zhuǎn)載部由轉(zhuǎn)載電機(jī)、刮板輸送鏈、星輪等組成，可將截割的煤塊轉(zhuǎn)運(yùn)至位于掘進(jìn)機(jī)后方的破碎機(jī)；截割部由截割頭、回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸等組成，通過(guò)截割頭的上下、左右、前后周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)將煤壁破碎，進(jìn)而形成一個(gè)完整的拱形、矩形巷道[5-6]。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制技術(shù)即通過(guò)人機(jī)界面，輸入控制參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)可按照預(yù)設(shè)的自動(dòng)截割程序、記憶截割程序以及邊界控制程序自動(dòng)控制油缸、截割速度、截割范圍、截割方向，最終形成滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的巷道斷面。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1所示，為完成自動(dòng)截割控制，該系統(tǒng)需完成的工作有：①截割頭軌跡跟蹤：建立截割頭軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算并反饋截割頭位置，保證巷道斷面成形質(zhì)量；②截割頭路徑規(guī)劃：根據(jù)該巷道的掘進(jìn)工藝以及巷道成形形狀，建立截割頭路徑規(guī)劃模型，杜絕超挖/欠挖；③自動(dòng)截割控制：根據(jù)截割頭路徑規(guī)劃需求，控制回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸，并實(shí)現(xiàn)搖臂的上下、左右、前后控制，同時(shí)控制截割臂運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)截割頭軌跡跟蹤；④自適應(yīng)截割：根據(jù)巷道地質(zhì)條件和載荷變化，動(dòng)態(tài)改變截割速度、截割臂擺動(dòng)速度。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)獲取工控機(jī)人機(jī)界面中的巷道參數(shù)、掘進(jìn)機(jī)參數(shù)后，根據(jù)截割頭路徑規(guī)劃、截割頭軌跡跟蹤方案對(duì)截割過(guò)程進(jìn)行控制并以通信方式將控制方案?jìng)魉徒oPCC[7-8]。PCC動(dòng)態(tài)、周期性獲取回轉(zhuǎn)油缸位移傳感器、升降油缸位移傳感器、截割電機(jī)電流傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后完成截割頭坐標(biāo)解算，動(dòng)態(tài)修正截割頭軌跡控制；將修正后的控制方案?jìng)魉徒oPCC，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后以及A/D轉(zhuǎn)換后控制電液比例閥，進(jìn)而完成掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制過(guò)程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制技術(shù)硬件方案見(jiàn)圖2所示，上位機(jī)智能控制面板PP480內(nèi)預(yù)設(shè)自動(dòng)截割程序、記憶截割程序以及邊界控制程序，同時(shí)可動(dòng)態(tài)顯示截割頭運(yùn)動(dòng)軌跡以及巷道斷面輪廓。上位機(jī)PP480與下位機(jī)PCC以CAN通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，PCC同時(shí)周期性采集回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸以及截割電機(jī)電流傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析和判斷并修正自動(dòng)截割程序。上位機(jī)將滿(mǎn)足該巷道地質(zhì)條件以及輪廓參數(shù)的自動(dòng)截割控制程序傳送給下位機(jī)形成最終控制程序。通過(guò)操作手柄、遙控器發(fā)出掘進(jìn)機(jī)控制指令，經(jīng)比例放大器后控制負(fù)載敏感式多路比例換向閥組，進(jìn)而控制回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)油缸、截割臂升降油缸，最終控制截割頭按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行控制。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PCC選用的型號(hào)為CP570，由計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制模塊以及通信模塊三部分組成，具有高性能輸入輸出并行總線以及相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)總線，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、組網(wǎng)能力強(qiáng)、安裝方便、適應(yīng)能力好的優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)智能控制面板選用的型號(hào)為PP480，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供較好的人機(jī)交互界面，同時(shí)可承擔(dān)部分控制和計(jì)算任務(wù)?；剞D(zhuǎn)油缸、升降油缸位移傳感器選用的型號(hào)為GUC1000，該位移傳感器為礦用本安型，利用磁脈沖原理將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)，內(nèi)部由電子發(fā)射器和傳感器測(cè)量單元組成，采用非接觸式測(cè)量直線位置變化，具備測(cè)量精度高、適應(yīng)范圍廣、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。電流傳感器選用的型號(hào)為CS30-800AA.C，供電電壓為DC24V，輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)或者1～5 V電壓信號(hào)，檢測(cè)精度高。比例放大板選用的型號(hào)為EV22K2-12/24，可將PCC輸出的模擬信號(hào)放大并傳送至自動(dòng)截割系統(tǒng)的液壓裝置控制端。電液比例換向閥選用的型號(hào)為PSL，可接收比例放大板信號(hào)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、流速控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)截割臂、截割頭的無(wú)限調(diào)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制技術(shù)軟件方案基于B&R Automation Studio軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用C++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制軟件系統(tǒng)模塊劃分見(jiàn)圖3所示，有自動(dòng)截割、手動(dòng)截割兩種控制模式，有手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種操作方式。自動(dòng)截割模式即控制系統(tǒng)按照PCC生成的截割路徑、截割軌跡進(jìn)行自動(dòng)截割和自動(dòng)刷幫；必要時(shí)，可進(jìn)行人工干預(yù)；手動(dòng)截割模式即巷道環(huán)境異常惡劣無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)截割時(shí)，由掘進(jìn)機(jī)司機(jī)通過(guò)遙控器、控制手柄手動(dòng)完成截割過(guò)程。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)軟件模塊劃分

4 應(yīng)用分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)綜掘工作面煤層賦存穩(wěn)定，巷道開(kāi)口煤層厚度在9.0～10.0 m之間，1 000 m煤層厚度為5.0～5.4 m之間，煤層傾角為2°～4°，夾矸層厚度約為0.5 m。該綜掘工作面巷道底板以炭質(zhì)泥巖和泥巖為主，煤層頂板以灰白色粗粒砂巖為主；采用矩形巷道，進(jìn)刀深度為0.65 m，截割順序?yàn)樽韵露稀杂叶蟆陨隙?，左右兩幫預(yù)留500 mm。在該綜掘工作面進(jìn)行為期6個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)對(duì)該掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率、瞬時(shí)切削率、最大掘進(jìn)速度、不同截割工況時(shí)的截割電流等值進(jìn)行預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè)。表1所列為6個(gè)月內(nèi)該巷道掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)效率、瞬時(shí)切削率、最大掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)與實(shí)際值統(tǒng)計(jì)表。

表1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)

由表1可知，掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)率、瞬時(shí)切削率、最大掘進(jìn)機(jī)速度的預(yù)測(cè)值大于實(shí)測(cè)值，存在相對(duì)偏差。懸臂式掘進(jìn)機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于機(jī)械、電氣、液壓復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同配合工作，存在發(fā)生故障的概率，故障耦合性較強(qiáng)，會(huì)影響掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行性能，實(shí)測(cè)值與掘進(jìn)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況相符。

表2所列為懸臂式掘進(jìn)機(jī)在不同運(yùn)行工況時(shí)的截割電機(jī)電流變化統(tǒng)計(jì)表，自動(dòng)截割時(shí)截割電機(jī)電流明顯小于手動(dòng)截割時(shí)截割電機(jī)電流值，且手動(dòng)截割時(shí)由于煤塵較大，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)完成根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)甄別截割頭實(shí)時(shí)位置以及速度，一次斷面成形時(shí)間高達(dá)20 min。運(yùn)用自動(dòng)截割操作模式后，巷道一次斷面成形平均時(shí)間為16 min，且無(wú)超挖/欠挖問(wèn)題，成形效果較好。

表2 不同工況時(shí)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)電流值

5 結(jié) 語(yǔ)

以綜掘工作面掘懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對(duì)象，研究了掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制技術(shù)，并得出以下結(jié)論：①以PCC+PP480為核心，構(gòu)建懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，并將自動(dòng)截割、記憶截割、邊界控制程序嵌入PP480智能控制面板，經(jīng)PCC修正后控制掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程；②完成工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該自動(dòng)截割控制系統(tǒng)在提升掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)率、提高巷道斷面成形質(zhì)量等方面效果明顯；③該自動(dòng)截割控制系統(tǒng)能夠保證掘進(jìn)機(jī)高效、安全、穩(wěn)定工作。