陳志良 王子越 曹曉明 郭吉昌

（1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

我國(guó)井工煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長(zhǎng)度超過(guò)12 000 km，是我國(guó)規(guī)模最大的地下工程。巷道支護(hù)是井工開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一。錨桿、錨索支護(hù)是我國(guó)煤礦巷道的主體支護(hù)方式[1]。液壓錨桿鉆機(jī)是錨桿支護(hù)工程施工的關(guān)鍵設(shè)備之一，影響著支護(hù)質(zhì)量的好壞與支護(hù)速度的快慢。在煤巷礦道和巖土錨固工程施工中，普遍使用機(jī)載型液壓錨桿鉆機(jī)[2]。但是，錨桿鉆機(jī)的控制主要依賴(lài)人工手動(dòng)控制，對(duì)操作人員技術(shù)依賴(lài)性高，且無(wú)法面向不同圍巖實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自適應(yīng)鉆進(jìn)[3]。

現(xiàn)有機(jī)載液壓錨桿鉆機(jī)通過(guò)位置傳感器感應(yīng)錨桿的鉆進(jìn)位置，通過(guò)液壓壓力傳感器檢測(cè)油缸鉆進(jìn)壓強(qiáng)，通過(guò)流量傳感器檢測(cè)流經(jīng)液壓缸的流量[4-6]。機(jī)載液壓錨桿鉆機(jī)在煤礦巷道作業(yè)的過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間受到水及煤渣的沖刷，導(dǎo)致外置位置傳感器使用壽命和使用效果極易受到影響。雖然增加傳感器的數(shù)量和種類(lèi)可以提高系統(tǒng)感知環(huán)境的能力，但傳感器的數(shù)量增多也會(huì)增加系統(tǒng)的整體故障率。除了增加成本以外，過(guò)多的傳感器還會(huì)加大數(shù)據(jù)融合難度，增加控制程序的編寫(xiě)和維護(hù)難度。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種僅使用液壓壓力傳感器的煤礦機(jī)載液壓錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以傳統(tǒng)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為控制器，將推進(jìn)液壓缸或液壓馬達(dá)的壓強(qiáng)大小作為自動(dòng)化施工過(guò)程的啟停信號(hào)。

1 機(jī)載液壓錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

典型自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行器以及傳感器4部分組成。機(jī)載液壓錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

（1）PLC是錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)的控制器。PLC搭配傳統(tǒng)輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量、模擬量的輸入輸出。PLC搭配特殊I/O模塊可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)的輸出，直接控制液壓比例閥。PLC內(nèi)部定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)自控施工過(guò)程的延時(shí)控制。

（2）被控對(duì)象由鉆機(jī)伸縮油缸、支撐柱油缸、液壓馬達(dá)和排渣水組成。鉆機(jī)進(jìn)給油缸通常為雙作用液壓缸，利用活塞兩側(cè)不同的壓強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)打孔的進(jìn)給及后退。支撐柱是機(jī)載錨桿鉆機(jī)特有的組成部件，用于固定鉆機(jī)與煤壁的相對(duì)位置，避免打孔過(guò)程中的振動(dòng)導(dǎo)致鉆機(jī)主體與煤壁之間產(chǎn)生相對(duì)位移。液壓馬達(dá)用于提供鉆孔過(guò)程中所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。煤礦機(jī)載錨桿鉆機(jī)一般采用濕式鉆孔，鉆孔過(guò)程中需實(shí)時(shí)通入排渣水，保證煤渣的順利排出，并起到冷卻鉆頭的作用。

（3）執(zhí)行器由鉆機(jī)伸縮油缸、支撐柱油缸和液壓馬達(dá)所對(duì)應(yīng)的3個(gè)比例閥和1個(gè)進(jìn)水電磁閥組成。比例閥的開(kāi)度影響液壓缸及液壓馬達(dá)的運(yùn)行速度。比例閥閥芯位移大小由通過(guò)線(xiàn)圈的電流大小決定。PLC通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)比例閥線(xiàn)圈的PWM信號(hào)占空比，可實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈電流的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸和液壓馬達(dá)的控制。

（4）傳感器由鉆機(jī)伸縮油缸、支撐柱油缸和液壓馬達(dá)油路上的3個(gè)壓力傳感器組成。支撐柱頂?shù)矫罕诨蜚@機(jī)打孔到底時(shí)，液壓壓力傳感器的壓強(qiáng)數(shù)值會(huì)顯著上升，以此作為停止施工的信號(hào)。液壓馬達(dá)在鉆機(jī)打孔過(guò)程中，若旋轉(zhuǎn)方向的壓強(qiáng)異常升高，說(shuō)明鉆機(jī)自身或被鉆圍巖狀態(tài)異常，應(yīng)立即停止施工排查故障。

2 硬件系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

控制器及配套I/O模塊應(yīng)圍繞執(zhí)行器和傳感器進(jìn)行選型。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)適用于各種品牌的工業(yè)PLC，如三菱、西門(mén)子以及歐姆龍等。常見(jiàn)的PLC均有配套的開(kāi)關(guān)量及模擬量的輸入輸出擴(kuò)展模塊。本系統(tǒng)中包含的進(jìn)水電磁閥需要配置1路開(kāi)關(guān)量輸出，3個(gè)壓力傳感器需要配置3路模擬量輸入。對(duì)于3個(gè)比例閥的輸出信號(hào)，有2種常見(jiàn)的輸出配置：一是PLC通過(guò)擴(kuò)展模塊直接輸出電流型PWM信號(hào)，通過(guò)控制脈沖電流占空比實(shí)現(xiàn)比例閥開(kāi)度的控制；二是PLC輸出模擬量控制比例閥配套的放大板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥開(kāi)度的控制。

執(zhí)行器中的比例閥選型主要取決于液壓系統(tǒng)的壓強(qiáng)及流量。比例閥在滿(mǎn)足液壓系統(tǒng)使用的基礎(chǔ)上，應(yīng)選取較高的靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如滯環(huán)小、線(xiàn)性度高以及響應(yīng)快速等。進(jìn)水電磁閥的選型主要考慮水壓和通徑。

壓力傳感器的選型主要取決于被測(cè)液壓管路的壓強(qiáng)和測(cè)量精度。當(dāng)壓力傳感器線(xiàn)路周邊有高頻磁場(chǎng)干擾時(shí)，應(yīng)選取帶屏蔽功能的傳感器線(xiàn)纜。

在煤礦井下使用的執(zhí)行器或傳感器應(yīng)選擇具有煤礦安全標(biāo)志證書(shū)的隔爆或本安型產(chǎn)品。

3 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序流程圖，如圖2所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，將PLC各個(gè)輸出及內(nèi)部變量復(fù)位，啟動(dòng)壓力傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)值。初始化完畢后，鉆機(jī)支撐柱前進(jìn)。當(dāng)支撐柱油缸進(jìn)給壓強(qiáng)超過(guò)給定閾值后，支撐柱停止，開(kāi)啟進(jìn)水電磁閥，液壓馬達(dá)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。鉆機(jī)油缸在進(jìn)給的過(guò)程中，實(shí)時(shí)判斷液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)打孔壓強(qiáng)。當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向的壓強(qiáng)過(guò)高時(shí)，則認(rèn)定施工狀態(tài)異常，停止鉆機(jī)作業(yè)。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)給油缸壓強(qiáng)超過(guò)閾值時(shí)，則判定鉆機(jī)行程結(jié)束或接觸煤壁，鉆機(jī)完成打孔。鉆孔完成后應(yīng)停止鉆機(jī)進(jìn)給、馬達(dá)旋轉(zhuǎn)和進(jìn)水。最后，鉆機(jī)和支撐柱同時(shí)回退，完成鉆孔施工。

在系統(tǒng)控制過(guò)程中，PLC對(duì)執(zhí)行器的輸出信號(hào)根據(jù)具體使用場(chǎng)景而定。既可以是定值輸出，液壓缸或液壓馬達(dá)以恒定速度運(yùn)行，也可以根據(jù)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整電磁閥開(kāi)度大小，使得液壓缸或液壓馬達(dá)的壓強(qiáng)保持恒定，不受負(fù)載變化的影響。

控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的主要判據(jù)是液壓缸或液壓馬達(dá)的實(shí)時(shí)壓強(qiáng)值大小。壓強(qiáng)閾值一般是定值。當(dāng)被鉆圍巖結(jié)構(gòu)變化較大或液壓系統(tǒng)油溫波動(dòng)較大時(shí)，固定的壓強(qiáng)閾值可能導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)早停止或無(wú)法停止當(dāng)前階段的運(yùn)行。

4 煤礦井下試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在煤礦井下進(jìn)行試驗(yàn)，并采集鉆孔過(guò)程中的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

鉆孔過(guò)程中的壓強(qiáng)主要包含兩部分：一部分是一級(jí)油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)壓強(qiáng)；另一部分是二級(jí)油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)壓強(qiáng)。鉆孔過(guò)程中，一級(jí)油缸運(yùn)行壓強(qiáng)在3.5 MPa左右，壓強(qiáng)波動(dòng)范圍較小；二級(jí)油缸運(yùn)行壓強(qiáng)在11.0 MPa左右，壓強(qiáng)波動(dòng)范圍較大。兩級(jí)油缸運(yùn)行壓強(qiáng)及壓強(qiáng)波動(dòng)范圍差異，主要是由一級(jí)油缸和二級(jí)油缸的進(jìn)回油液壓截面積不同導(dǎo)致的。

從壓強(qiáng)曲線(xiàn)圖的最后部分可知，當(dāng)鉆機(jī)打孔行程到底時(shí)，鉆機(jī)進(jìn)給壓強(qiáng)在2.6 s內(nèi)由10.0 MPa增加至17.8 MPa。因此，鉆機(jī)進(jìn)給壓強(qiáng)可以作為鉆機(jī)打孔自動(dòng)停止的判斷依據(jù)，而本文設(shè)計(jì)的煤礦機(jī)載錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種煤礦機(jī)載錨桿鉆機(jī)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)是僅使用液壓壓力傳感器作為系統(tǒng)唯一傳感器，簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)闡述了系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，通過(guò)煤礦井下試驗(yàn)證明了系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的可行性。但是，提到的液壓缸恒壓控制在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中難度較大，傳統(tǒng)PID控制效果有限，需進(jìn)一步研究控制算法。此外，壓強(qiáng)閾值易受液壓系統(tǒng)油溫及圍巖結(jié)構(gòu)的影響，因此壓強(qiáng)閾值的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制仍有待研究。